Теоретические основы доменного процесса
ОСНОВНЫЕ ЦЕХА И ЗАВОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
Современное производство черных металлов представляет собой сложное комбинированное производство, состоящее из основных и вспомогательных цехов и заводов. Оно включает:
— шахты по добыче руды и каменного угля;
— горнообогатительные комбинаты по измельчению, обогащению и окускованию руд и концентратов;
— коксохимические цехи и заводы, обеспечивающие подготовку углей, их коксование и улавливание продуктов коксования;
— энергетические цехи для получения кислорода, сжатого воздуха для дутья и очистки газов металлургических производств;
— доменные цехи для выплавки передельного и литейного чугунов;
— заводы для производства ферросплавов;
— сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали;
— прокатные цехи.
Заводы с полным металлургическим циклом «руда — чугун — сталь — прокат» вследствие высокой материалоемкости производства (6 т сырья на 1 т продукции) размещены в районах месторождений руды или угля; предприятия по выплавке ферросплавов и специальных сталей — в районах, обеспеченных дешевой электроэнергией. В РФ предприятия черной металлургии сосредоточены в трех основных регионах: Уральском (Н.Тагил, Магнитогорск, Челябинск, Новотроицк), Сибирском (Новокузнецк, Новосибирск, Красноярск) и Центральном (Тула, Череповец, Липецк, Москва, Нижний Новгород, Ст. Оскол).
Процесс выплавления железа из руды основан на довольно простой химической реакции восстановления оксидов железа до свободного железа:
FeO + CO = CO2 + Fe
при достаточно высокой температуре оксид железа (II) реагирует с оксидом углерода (II) в результате чего образуется оксид углерода (IV) и металлическое железо.
Чугун из железных руд выплавляется в специальных плавильных печах – домнах.
!!! Доменная (шахтная) печь устроена так, чтобы реакция могла протекать непрерывно.
На практике сверху вниз по шахте печи непрерывно продвигаются углерод и оксид железа, а навстречу им снизу движется воздух.
Углерод в виде кокса играет двоякую роль:
1) при сгорании он нагревает печь;
2) и образует газ оксид углерода (II) CO, который восстанавливает оксид железа до металла.
Профиль плавильного пространства печи выбран таким образом, чтобы обеспечить равномерное опускание шихты вследствие горения кокса, плавления материалов шихты и периодического выпуска чугуна и шлака, равномерное распределение газового потока по сечению печи и максимально интенсивное протекание процессов восстановления руды, образования и разделения чугуна и шлака. В соответствии с этим в плавильном пространстве печи различают следующие части: колошник, шахту, распар, заплечики и горн.
На рис. 9.4 представлен разрез доменной печи и распределение температур по её высоте.
При установившемся режиме работы печи в ней создается и поддерживается определенный температурный режим и протекают химические и физико-химические процессы, которые могут быть сведены к нескольким группам. Они приведены ниже, причем номера их отмечены на схеме печи в тех зонах ее, ) которых они протекают.
1. Подготовительные процессы. К подготовительным процессам, протекающим в интервале температур 100—400°С, относятся выделение гигроскопической и гидратной воды и летучих веществ из твердого топлива
2. Образование газообразных восстановителей. В зоне горна газообразные восстановители образуются в результате полного сгорания углерода кокса и природного газа при температуре 1800-1900ºС. При этом протекают следующие реакции:
а) сначала углерод кокса окисляется кислородом воздуха до оксида углерода (IV), а метан – до оксида углерода (IV) и воды:
C + O2 = CO2
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
Рис. 9.4. Профиль доменной печи !!! При установившемся режиме работы печи в ней создаётся и поддерживается определённый температурный режим и протекают следующие физико-химические процессы: 1. Подготовительные процессы; 2. Образование газообразных восстановителей; 3. Восстановление оксидов железа; 4. Науглероживание железа и получение чугуна; 5. Восстановление примесей; 6. Образование шлака. |
б) оксид углерода (IV) на поверхности раскалённого кокса восстанавливается до оксида углерода (II), а вода до свободного водорода:
CO2 + C = 2CO
H2O + C = CO +H2
Образовавшийся в горне восстановительный газ поднимается в верхнюю часть печи шахту, нагревает и восстанавливает компоненты шихты (железную руду и флюсы) при температуре 600-1200ºС.
2. Восстановление оксидов железа. Восстановление оксидов железа начинается при температуре 570ºС и протекает ступенчато от высших окислов к низшим до элементарного железа:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Заканчивается восстановление при температуре 1200ºС в распаре.
3. Восстановление железа оксидом углерода (II) принято называть косвенным (непрямым), а восстановление непосредственно углеродомкокса – прямым.
В доменных печах преобладает процесс косвенного восстановления оксидом углерода (II) и водородом:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 - ∆Q
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 + ∆Q
FeO + CO = Fe + CO2 - ∆Q
и
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O - ∆Q
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + ∆Q
FeO + H2 = Fe + H2O + ∆Q
Прямое восстановление начинается в распаре при 1200ºС и особенно интенсивно протекает в заплечиках при 1500ºС:
FeO + C = Fe + CO
В результате реакций восстановления образуется губчатое металлическое железо.