Экзаменационный билет №14. Доменный процесс

Доменный процесс

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных. Сущность процесса по­лучения чугуна в доменных печах заклю­чается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углеро­да, водородом, выделяющимся при сгора­нии топлива в печи и твердым углеродом.

Устройство доменной печи и ее ра­бота. Доменная печь (рис. 2.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри ог­неупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает в себя ко­лошник б, шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн /, лещадь 15. В верхней части ко­лошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки 9 подъемника, которые передвигаются по мосту 12 к засыпному аппарату 8 и, опро­кидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу /7, а при опускании большого конуса 13 - в домен­ную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для рав­номерного распределения шихты в до­менной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки пово­рачиваются на угол, кратный 60°.

При работе печи шихтовые материа­лы, проплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был за­полнен. Полезный объем печи - это объ­ем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засып­ного аппарата при его опускании. Совре­менные доменные печи имеют полезный объем 2000... 5000 м³. Полезная высота Я доменной печи достигает 35 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые в печь поступает нагретый воздух, необ­ходимый для горения топлива. Воздух нагревают для повышения температуры в печи и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухо­нагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка вы­ложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке по­дается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагре­вают ее и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, по­даваемый турбовоздуходувкой машиной, оздух, проходя через насадку, нагревает- ^Ся температуры 1000... 1200 °С и по­ступает к фурменному устройству 14, а оттуда через фурмы 2 - в рабочее про­странство. Доменная печь имеет несколь­ко воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагре­вая его. После охлаждения насадки возду­хом нагреватели переключаются.

Физико-химические процессы до­менной плавки. Условно процессы, про­текающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонен­тов шихты; восстановление железа; науг­лероживание железа; восстановление мар­ганца, кремния, фосфора, серы; шлакооб­разование. Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных темпера­турах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм (см. рис. 2.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результа­те горения выделяется теплота и образу­ется газовый поток, содержащий СО, С0₂, N& Н₂, СН4 и др. При этом в печи не­сколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300... 400 °С у колош­ника.

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температу­ре 500... 570 °С начинается восстановле­ние оксидов железа.

Разложение компонентов шихты происходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсо­ванный агломерат, то эти процессы про­текают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушают­ся гидраты оксидов железа и алюминия. Известняк флюса диссоциирует по реак­ции СаСОз = СаО + С0₂.

В результате взаимодействия окси­дов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Вос­становление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом - прямым. Реакции косвенного восстанов­ления - экзотермические (сопровождают­ся выделением теплоты) - происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления - эндо-термические (сопровождаются по­глощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где темпе­ратура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере про­движения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько ста­дий - от высшего оксида к низшему:

Fe₂0₃ II Fe₃0₄ Ш FeO 3§ Fe,

Восстановление железа заканчивает­ся при 1100... 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полно­стью. Потери его шлаком составляют не более 1 %.

Науглероживание железа. Восста­новление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500... 570 °С и заканчивается в распаре при 1100... 1200 °С. При этих температурах восстановленное железо с Гщ» * 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте до- менной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглерожива­ние при взаимодействии с оксидом угле­рода, коксом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого распла­ва, который каплями начинает стекать в горн.

Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000... 1200 °С восста­навливаются из руды, а также обогащают­ся серой, содержащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов в домен­ную печь вносится железной, марганце­вой рудами или агломератом и восстанав­ливается в шахте по реакции, аналогичной восстановлению оксидов железа: МпОг -> -> Мп₂0₃ -> Мп₄0₃ МпО. Оксид мар­ганца (МпО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием кар­бида марганца (Мп₃С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворя­ется в железе, повышая содержание мар­ганца и углерода в чугуне. Другая часть МпО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в ви­де Si0₂, также частично восстанавливает­ся твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть Si0₂ переходит в шлак. Кремний восстанавливается при температурах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃ • Р₂0₅ и (СаО)₃ • При температурах выше 1000 °С фосфат

железа восстанавливается оксидом угле­рода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше ,300 °С фосфор восстанавливается из фос­фата кальция. Фосфор и фосфид железа р_е Р полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaS0₄. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реак­ции

FeS + CaO - CaS + FeO

часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вред­ными примесями.

Таким образом, в результате, процес­са восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединении, растворения в железе С, Мп, Si, Р, S в доменной печи образуется чугун.

Образование шлака. Шлакообразова­ние активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления же­леза путем сплавления флюсов, добавляе­мых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при темпе­ратуре 1400... 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составля­ющие доменного шлака: оксиды кремния (30... 45 %), оксиды кальция (40... 50 %), оксид алюминия (10... 25 %) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скап­ливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые ³ - 4 ч, а шлак - через 1... 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 (см. рис. 2.1) - отверстие в кладке, располо­женное несколько выше лещади, а шлак - через шлаковую летку 17. Чугунную лет­ку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупор­ной массой. Чугун и шлак сливают в чугу- новозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно- конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун - основной продукт доменной плавки. В до­менных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конвертерах или мартеновских печах. Он содержит 4...4,4 % С, 0,6... 0,8 % Si, 0,25... 1,5 % Мп, 0,15... 0,3 % Р и 0,03...0,07 % S.

Литейный чугун используют на ма­шиностроительных заводах при производ­стве фасонных отливок. Он содержит 2,75... 3,25 % Si. Кроме чугуна в домен­ной печи выплавляют ферросплавы до­менные - сплавы железа с кремнием, мар­ганцем и другими элементами, применяе­мые для раскисления и легирования стали. К ним относятся ферросилиций (9... 13 % Si и до 3 % Мп), ферромарганец (70... 75 % Мп и до 2 % Si), зеркальный чугун (10... 25 % Мп и до 2 % Si).

Побочные продукты доменной плав­ки - шлак и доменный газ. Из шлака изго­товляют шлаковату, цемент, шлакоситал- лы, а доменный газ после очистки исполь­зуют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.