Глава 2 Загальна характеристика доменного виробництва
Основні види чавуну, що виплавляється в доменних печах: граничний чавун, використовуваний для виробництва сталі в сталеплавильних агрегатах; ливарний, що йде для чавунних виливків; спеціальні чавуни. Побічні продукти доменного печі: доменний газ [теплота згоряння 3,6-4,6 МДж/м3 (850-1100 ккал/м3)] після очищення від пилу використовується для нагріву дуття в воздухонагревателях, а також в заводських котельних установках, коксохімічних, агломераційних і деяких інших цехах, доменний шлак знаходить застосування головним чином у промисловості будівельних матеріалів; колошниковий пил, що виноситься з печі і вловлюється системою газоочистки, містить 30-50% Fe, повертається в шихту доменних печей після її попереднього згрудкування (головним чином шляхом агломерації).
Доменний цех заводу з повним металургійним циклом має як правило не менше 3 доменних печей з воздухонагревателями і системою газоочистки. Запас шихти (коксу на 6-12 ч, агломерату або руди, а також флюсів на 1-2 діб роботи печей) зберігається в бункерах естакади (загальною для всіх доменних печей). На багатьох металургійних заводах до складу доменного цеху входить так званий рудний двір, де зберігається основний запас залізних руд, що укладаються в штабелі рудними перевантажувачами. Формування штабелю і забір з нього матеріалів виробляються з урахуванням усереднення руд. У доменному цеху є також машини для розливання чавуну.
Доменна піч являє собою шахтну піч круглого перетину; футерована вогнетривкої кладкою (верхня частина шамотною цеглою, нижня - переважно вуглецевими блоками). Для запобігання розпалу кладки і захисту кожуха печі від високих температур використовують холодильники, в яких циркулює вода. Кожух печі і колошниковий пристрій підтримуються колонами, встановленими на фундаменті.
Шихта подається на колошник печі скіпами, рідше стрічковими конвеєрами. Скіпи розвантажуються в піч через приймальну воронку і засипний апарат, встановлений на колошник. Повітря (дуття) від повітродувних машин подається в піч через повітронагрівачі (в яких нагрівається до 1000-1200 ° С) та фурмені прилади, встановлені по колу горна. Через фурми вводиться також додаткове паливо (природний газ, мазут або вугільний пил).
Рисунок 2.1 – Схема доменної печі(1 - Льтка для випуску чавуну,2 - Газорідведення,3 - Засипний агрегат,4 – Фурми,5 - Льотка для випуску шлаку;).
Продукти плавки випускаються в чугуновозні і шлакові ковші через льотки, розташовані в нижній частині горна. Утворений в печі колошниковий газ відводиться через газовідводи, розташовані в куполі печі.
Відстань між віссю чавунної льотки і нижньою кромкою великого завантажувального конуса в опущеному стані називається корисною висотою доменної печі, а відповідний обсяг - корисним об'ємом доменної печі. Потужні доменні печі в СРСР мають корисний об'єм 2000-3000 м3 і є одними з найбільших у світі. Директиви по 9-у п'ятирічному плану передбачають будівництво доменних печей об'ємом 5000 м3.
Основні хімічні процеси в доменній печі - горіння палива і відновлення Fe, Si, Mn і інших елементів. Частина коксу втрачається на процеси відновлення, але основна кількість опускається в горн і згорає разом з вдувальним паливом у фурмах. Гази з т 1600-2300 ° С, що містять 35-45% CO, 1-12% H2 і 45-65% N2, піднімаючись по печі, та нагрівають шихту, при цьому CO і H2 частково окислюються до CO2 і H2O. Гази, що виходять з печі, мають т 150-300 ° С.
Горіння у фурмах. У фурмах доменної печі виникають вогнища горіння, звані окислювальними зонами, в яких вихровий рух газів приводить до циркуляції шматків коксу. Горіння коксу розвивається на поверхні контакту твердої і газоподібної фаз. При цьому кисень з'єднується з вуглецем в складні комплекси Сх і Оу, які потім розпадаються. У спрощеному вигляді сумарний процес горіння вуглецю твердого палива у фурм зводиться до екзотермічної реакції 2C + O2 = 2CO. При вдуванні природного газу чи мазуту, в яких головною складовою є вуглеводні (наприклад, метан), протікає реакція з виділенням CO і H; при цьому поглинається значна частина тепла, що виділяється при спалюванні , а отже, знижується температура горіння у фурмах. Щоб уникнути цього необхідно підвищувати температуру дуття і збагачувати його киснем. Позитивний вплив вдування вуглеводневих палив - в підвищенні концентрації водню в газі і поліпшенні завдяки цьому його відновної здатності.
Відновлення заліза і інших елементів. У доменній печі Cu, As, Р, подібно Fe, відновлюючись, майже повністю переходять в чавун. Повністю відновлюється і Zn, який потім переганяється, переходить в гази і відкладається в порах кладки, викликаючи її руйнування. Ті елементи, які утворюють міцніші з'єднання з киснем, чим Fe, відновлюються частково або зовсім не відновлюються: V відновлюється на 75-90%, Mn на 40-75%, Si і Ti в невеликих кількостях, Al, Mg і Ca не відновлюються .
Відновлення надходять у доменну піч оксидів Fe2O3 та Fe3O4 відбувається шляхом послідовного відщеплення кисню по реакціях:
3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O),
Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O).
Закис заліза FeO відновлюється до Fe газами (непряме відновлення) і вуглецем (пряме відновлення).
FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O),
FeO + C = Fe + CO.
Вищі оксиди марганцю MnO2, Mn2O3 і Mn3O4 відновлюються газами з виділенням тепла. Надалі MnO відновлюється до Mn лише вуглецем з витратою тепла приблизно в 2 рази більшою, ніж при відновленні Fe. Si також відновлюється лише при високих температурах по ендотермічний реакції:
SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.
Ступінь відновлення Si і Mn залежить в основному від витрати коксу; на кожен відсоток підвищення вмісту Si в чавуні витрата коксу збільшується на 5-7%, що збільшує кількість гарячих газів в печі, викликаючи перегрів шахти. Збагачення дуття киснем, забезпечуючи високий нагрів горна, зменшує кількість газів, що утворюються, а отже, і температуру в шахті печі.
Сірка в доменному процесі. S вноситься в доменну піч в основному коксом і переходить в гази у вигляді пари (SO2, H2S і ін.), Але більша частина залишається в шихті (у вигляді FeS і CAS); при цьому FeS розчиняється в чавуні. Для видалення S з чавуну необхідно перевести її в з'єднання, нерозчинні в чавуні, наприклад в CAS:
FeS + CaO = CaS + FeO.
Це досягається освітою в доменній печі шлаку з підвищеним вмістом СаО. Відновлювальна середу сприятливо впливає на цей процес, тому що знижує зміст FeO в шлаку. Ступінь знесірчення досить висока, і тільки в деяких випадках чавун додатково обезсірковуючу поза доменною піччю різними реагентами.
Освіта чавуну і шлаку. Відновлене в доменній печі Fe частково науглероживается в твердому, а потім в рідкому станах. Зміст C в чавуні залежить від температури чавуну і його складу. Шлак складається з невосстановівшіхся оксидів SiO2, Al2O3 і СаО (90-95%), MgO (2-10%), FeO (0,1-0,4%), MnO (0,3-3%), а також 1 ,5-2, 5% S (головним чином у вигляді CAS). Для характеристики шлаків користуються зазвичай показником основності CaO/SiO2 або (СаО + MgO) / SiO2. Основність CaO/SiO2 для різних умов плавки коливається в межах 0,95-1,35%. При виплавці чавуну на коксі з підвищеним вмістом S (донецький кокс) працюють на шлаках з верхньою межею основності і прагнуть забезпечити вміст MgO в шлаку 6-8% і більш, покращуючи його жідкоподвіжность.
Робота доменної печі починається з її задування. При цьому горн і заплечики завантажуються коксом, а шахта - так званою задувочной шихтою. У повністю завантажену піч подається нагріте дуття (зменшена кількість), кокс запалав, і починається опускання матеріалів. Перший випуск чавуну і шлаку проводиться через 12-24 год, після чого кількість дуття і рудна навантаження (відношення маси руди до маси коксу в подачі) поступово збільшуються, і через кілька днів після задування доменна піч досягає нормальної продуктивності.
Безперервна робота (кампанія) доменної печі від задування до видувки (зупинки на капітальний ремонт) продовжується 5-6, а в деяких випадках 8-10 років і більше, протягом яких пекти 1-2 рази зупиняється на так званий середній ремонт для заміни зношеної кладки шахти. Виплавка чавуну на потужних печах за одну кампанію досягає 5-8 млн. т чавуну і більше.
Управління роботою (ходом) доменної печі полягає в регулюванні (відповідно до якості сирих матеріалів і видом виплавленого чавуну) складу шихти, кількості, температури і вологості дуття, а також величини подачі або послідовності завантаження окремих компонентів шихти і рівня засипі. Хід доменної печі контролюється вимірювальними приладами, реєструючими основні параметри завантаження, дуття, колошникового газу, температуру кладки печі на різних горизонтах.
Набули поширення плавка з вдуванням додаткових видів палива, збагаченням дуття киснем і робота з підвищеним тиском колошникових газів. При підвищенні тиску на колошнику зменшується перепад тиску між низом і верхи доменній печі; це обумовлює більш рівний схід шихти, покращує відновну роботу газів, зменшує винесення пилу.
Доменна піч характеризується високим ступенем автоматизації. На сучасній доменній печі автоматично здійснюються всі операції шихтоподачі: набір компонентів шихти з відсівом дріб'язку, зважування, транспортування на колошник і завантаження в піч за заданою програмою. Автоматично підтримуються оптимальний рівень засипі і розподіл шихтових матеріалів на колошник, тиск колошникового газу, витрата води на охолодження, температура і вологість дуття, а також вміст у ньому кисню і витрата природного газу. Автоматизовано перемикання воздухонагревателей і управління режимом їх нагріву. Автоматичні аналізатори забезпечують безперервну реєстрацію складу колошникового газу і дуття. Впроваджуються системи автоматичного регулювання подачі дуття і природного газу як за загальним витраті, так і по окремих фурмах.
Нові доменні печі оснащуються системами централізованого контролю і управління, які забезпечують усереднення показників приладів і підрахунок комплексних показників роботи печі. Ведуться роботи по комплексній автоматизації Д. п., в тому числі управління тепловим режимом доменної печі за допомогою ЕОМ.