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.