К продуктам доменного производства относят чугун, шлак и доменный (колошниковый газ).

Доменная печь – это вертикальная печь шахтного типа. В стальном кожухом кожухе стенки печи выложены из огнеупорного шамотного кирпича. Рабочее пространство печи имеет 5 частей: колошник, шахта, распар, заплечики и горн.

Агломерация (спекание).

Состоит в том, что руду, концентрат или их смесь с добавкой топлива смешивают до образования комочков, загружают на колошниковую решетку агломерационной машины, нагревают, горючее шихты не воспламенится и не начнет гореть за счет просасываемого атмосферного воздуха. При горении топлива рудные зерна нагреваются, частично плавятся и спекаются в куски.

Для агломерации используют рудную мелочь размером менее 10 мм, колошниковую пыль и рудный концентрат.

В процессе агломерации удаляется до 98 % сульфидной и до 70 – 80 % сульфатной серы. Фосфор, цинк, свинец и медь обычно не удаляется и полностью переходят в агломерат.

Агломерат имеет достаточную механическую прочность, высокую пористость. Железо из агломерата хорошо восстанавливается в доменной печи. Применение агломерата увеличивает производительность печи и сокращает расход топлива на 1 тонну чугуна.

Окомкование.

Процесс основан на способности тонко измельченных концентратов в увлажненном состоянии при обработке во вращающихся барабанах, чашах или других устройствах (окомкователях) окатываться в шарики диаметром 15 – 38 мм (окатыши). Последующий обжиг увеличивает прочность окатышей. Окатыши прочны, пористы и являются хорошим сырым материалом для доменной печи.

 

 

§ 3. Устройство доменной печи

 

Современная доменная печь имеет большие размеры, (общая высота достигает 70 м) и высокую производительность (до 5000 т чугуна в сутки для печей объемом 2700 м³). Они работают на коксе с применением воздушного дутья.

Колошник – верхняя цилиндрическая часть в сочетании с засыпным аппаратом обеспечивает распределение материалов, что определяет характер распределения газового потока.

Шахта – усеченный конус с большим основанием внизу. Коническая форма шахты обеспечивает плавный сход шихтовых материалов. В шахте происходят основные процессы восстановления окислов.

Распар – средняя цилиндрическая часть печи, соединяющая шахту и заплечики.

Заплечики– усеченный конус с большим основанием вверху. В заплечиках происходят процессы плавления и шлакообразования, горения кокса, получение чугуна. Это наиболее ответственная часть доменной печи.

Горн состоит из 3 частей: лещадь, металлоприемник и фурменная зона.

Нижнее основание, которым доменная печь опирается, называется лещадью. В верхней части горна расположены воздухоохлаждаемые медные фурмы для подачи горячего воздуха в доменную печь. В лещади накапливается чугун и шлак, которые затем выпускаются через летки.

Выше лещади, до уровня шлаковых леток, располагается металлоприемник. Лещадь, фурменная зона и металлоприемник заключены в броню и охлаждаются плитовыми холодильниками.

Чугунная летка расположена на 400 – 500 мм выше лещади, потому на лещади всегда остается слой жидкого чугуна, предохраняющий его от разрушения. Чугунная летка между выпусками чугуна забивается огнеупорной массой. Шлаковая летка приподнята над лещадью на 1,5 – 1,6 м. Она представляет собой латунную или медную коническую водоохлаждаемую круглую коробку.

 

Рис. Устройство доменной печи

 

§ 4. Работа доменной печи

 

Сырьевые материалы, прошедшие предварительную подготовку к плавке, поступают в специальных вагонах на рудный двор, расположенный параллельно линии печей. При помощи мостового крана материалы со склада перегружают в приемные бункеры доменной печи. Кокс подают в бункеры специальным транспортером. При помощи вагон-весов шихту подвозят в загрузочной (скиповой) яме. Через воронку шихта попадает в вагонетку (скип), которая поднимается стальным канатом по рельсам наклонного подъемника доменной печи до самой верхней точки и там опрокидывается. Через загрузочное устройство (приемную воронку малого конуса, воронку большого конуса) шихта поступает в доменную печь. Конусы поочередно опускаются и поднимаются. Приемная воронка с малым конусом после загрузки очередной порции шихты может поворачиваться на 60°. Это позволяет равномерно распределять шихту на поверхности большого конуса перед загрузкой ее в печь.

В доменную печь загружают большое количество шихты. Так для производства 1 тонны передельного чугуна требуется 1900 кг агломерата офлюсованного и руды, примерно 700 кг кокса, 2200 м³/мин воздуха. При этом кроме чугуна, получается примерно 700 кг шлака и 3000 м³ доменного газа.

Для обеспечения современных доменных печей необходимым количеством горячего воздуха строят крупные воздухонагреватели (кауперы) и применяют мощные турбовоздуходувки, производительностью 5000 м³/мин и давлением воздуха 4,3 – 4,5 атм.

Воздухонагреватель заключен в стальной сварной кожух. Стенки и купол его выкладывают шамотным кирпичом. Внутри воздухонагревателя имеется камера горения и огнеупорная насадка, выполненная из шамотного кирпича с просветами (ячейками) между кирпичами.

Холодный воздух, подаваемый воздуходувной машиной, проходит через нагретую огнеупорную насадку каупера, где подогревается до 800 – 1200°С и поступает через фурмы в горн печи.

Обычно воздухонагреватель работает при нагреве воздуха не менее 1 ч. Для бесперебойной работы доменной печи необходимо иметь 3 каупера: из них один нагревается, другой отдает тепло холодному воздуху, а третий – в резерве.

 

Рис.

1. приемная воронка малого конуса;

2. малый конус;

3. приемная воронка большого конуса;

4. большой конус;

5. колошниковая фурма;

6. колошник;

7. шахта;

8. распар;

9. заплечики;

10. горн;

11. лещадь;

12. фурмы;

13. чугунная летка;

14. шлаковая летка;

15. металлоприемник;

16. шлаковоз;

17. чугуновоз;

18. скиповая яма;

19. скип;

20. кауперы

 

§ 5. Процессы, протекающие в доменной печи

 

Процесс превращения руды в чугун происходит в результате взаимодействия потока медленно опускающихся материалов и потока подымающихся газов, которые, соприкасаясь с материалами, нагревают и восстанавливают их. Все рабочее пространство печи занято шихтовыми материалами, которые загружаются на колошник через засыпной аппарат. По мере сгорания кокса вблизи фурм в печи образовывается свободное пространство. Это вызывает перемещение (сход) материалов в нижние горизонты печи навстречу движущемуся потоку раскаленных газов. Наиболее высокие температуры (до 1900 ⁰ С) достигаются вблизи фурм. Здесь происходит горение кокса благодаря кислороду воздуха, подогретого до 1200°С по реакции:

С + О = СО₂

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла. Образовавшаяся двуокись углерода соприкасается с раскаленным коксом и разлагается по реакции:

СО₂ + С = 2 СО

Газообразные продукты в зоне горна и нижней части заплечиков содержат много окиси углерода и обладают резко восстановительными свойствами.

В доменной печи роль восстановителя выполняют углерод, окись углерода и водород. Восстановление окислов при помощи окиси углерода называется косвенным, и при помощи углерода – прямым.

Прямое восстановление требует больших затрат тепла, поэтому желательно, чтобы доля косвенного восстановления была возможно большей.

Восстановление окислов железа идет по пути последовательного отнятия атомов кислорода по схеме

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

При температурах до 900°С протекают реакции косвенного восстановления железа:

3 Fe₂O₃ + СО = 2 Fe₃O₄ + СО₂ + выделяется тепло

Fe₃O₄ + СО = 3 FeO + СО₂

FeO + СО = Fe + СО₂

При более высоких температурах свыше 1000 – 1100°С получают развитие реакции прямого восстановления:

FeO + СО = Fe + СО₂

До 50 – 60 % железа образуется по реакциям косвенного восстановления, а 40 – 50 % – прямого.

Прямое восстановление железа происходит в распаре печи и тем лучше, чем выше температура находящихся здесь материалов, так как эта реакция идет с поглощением тепла. Образующееся металлическое железо находится в твердом состоянии, так как имеет высокую температуру плавления 1539°С. В присутствии окиси углерода и раскаленного кокса железо постепенно науглероживается, в результате чего температура его плавления понижается до 1150 – 1200 °С. Науглероженное железо, содержащее 1,8 – 2 % С, переходит в жидкое состояние и стекает между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. При этом происходит дополнительное насыщение железа углеродом до 3,5 – 4,0 % С. Аналогично происходит и процесс восстановления железа водородом.

Параллельно с восстановлением и науглероживанием железа в доменной печи происходит частичное восстановление марганца, кремния и фосфора. Эти элементы переходят в металл и изменяют его химический состав. Их восстановление происходит только за счет углерода кокса.

Марганец образуется в результате в результате взаимодействия его низшего окисла с углеродом:

MnО + С = Mn + СО

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температуре выше 1100 – 1200°С. Для нее требуется увеличить расход кокса и иметь более высокую температуру дутья 800 – 1000°С.

Кремний восстанавливается из кремнезема по реакции:

SiO₂ + 2 C = Si +2 CO

Наиболее активное восстановление кремния идет при температуре 1100С.

Фосфор восстанавливается из фосфатно-кальциевых солей в присутствии кремнезема:

P₂O₅ (CaO)₄ +5 C + 2 SiO₂ = 2 P + 2 (CaO)₂ SiO₂ + 5 CO

Эта реакция развивается в доменной печи до конца, поэтому фосфор полностью переходит в чугун.

Сера частично удаляется с колошниковыми газами в виде SO₂ и H₂S , но основное ее количество остается в виде сульфидов и распределяется между шлаком и чугуном. Наиболее нежелательным является сульфид железа FeS, который хорошо растворяется в металле.

При большом насыщении шлака известью (45 – 50 %) в горне печи происходят реакции:

FeS + CaO + C = Fe + CaS + CO

MnS + CaO + C = Mn + CaS + CO

В результате сера переходит в шлак в виде нерастворимого в металле серистого кальция CaS. Часть серы в виде S и FeS растворяется в чугуне.

Чугун скапливается в горне печи и периодически (6 – 10 раз в сутки) выпускается через чугунную летку. Жидкий чугун сливается в чугуновозные ковши емкостью 100 тонн и более и транспортируют к разливочной машине, где его разливают в изложницы и получают слитки (чушки) весом 40 – 60 тонн.

В нижней части доменной печи (распаре, заплечиках) образуется шлак. Образование шлака начинается тогда, когда основная масса железа уже восстановлена. Шлак образуется в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы кокса. Шлак формируется постепенно, изменяя состав по мере стекания в горн, где он скапливается над слоем чугуна и выпускается через шлаковую летку. Для транспортировки жидкого шлака от доменной печи служит шлаковоз, представляющий собой тележку со шлаковой чашей, емкостью до 16 – 24 м³. Для удобства транспортировки и дальнейшего использования доменный шлак гранулируют: жидкий шлак поливают струей воды, охлаждаясь он рассыпается на мелкие куски.

 

§ 6. Продукты доменного производства

 

В доменных печах выплавляются следующие чугуны:

1. передельный – около 80 %;

2. литейный – около 16 %;

3. специальный и ферросплавы – 4 %.

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. Этот чугун разделяют на 3 класса:

1. мартеновский чугун М-1 и М-2 содержит 1,5 – 2,2 % Mn и 0,4 – 1,5 % Si;

2. бессемеровский чугун Б-1 и Б-2 содержит 0,6 – 1,5 % Mn и 0,9 – 2 % Si;

3. томасовский чугун Т-1 содержит 0,8 – 1,3 % Mn и < 0,6 % Si и 1,6 – 2 % Р.

Литейный чугун используют для производства фасонного чугунного литья. Его выплавляют при большом расходе кокса из шихты с достаточным количеством кремнезема. Марки ЛК-00, ЛК-0, ЛК-1, ЛК-2 и до ЛК-5. В зависимости от марки содержится 1,25 – 4,25 % Mn и до 1,3 % Si.

Выплавляют также специальные чугуны: хромоникелевые, ванадиевые, ферохром и др.

Доменные ферросплавы применяют в качестве раскислителей или присадки к выплавляемой стали.

К ним относят:

· ферромарганец – 70 % Mn и более;

· ферросилиций – 9 – 13 % Si;

· зеркальный чугун – 10 – 25 %Mn и до 2 % Sі.

Шлаки доменных печей состоят из 33 – 40 % SiO₂; 42 – 48 % (СаО + МgО); 10 – 20 % Al₂O₃. На 1 тонну чугуна получается 0,6 тонны шлака. Шлаки используют для получения цемента, кирпича, брусчатки, ваты, ситаллов и др. материалов для строительства.

 

 

Глава ІІІ