Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах

Материалы для получения чугуна. Железные руды.

Основным продуктом доменного производства является чугун – сплав железа с углеродом (2-4,5%) и другими элементами (марганцем, кремнием, фосфором, серой и др.). Все виды чугуна, выплавляемые в доменных печах, по назначению делятся на передельный, литейный и специальный чугун.

Около 85% всего выплавляемого чугуна приходится на передельный (белый) чугун, в котором содержится 3,2-4,5% С, 0,3-1,2% Si, 0,2-1% Mn, 0,15-0,2% P и 0,02-0,07% S. Такой чугун отличается повышенной твердостью, хрупкостью и поэтому используется для производства стали.

Литейный (серый) чугун характеризуется повышенным содержанием кремния (до 4%), обладает хорошими литейными свойствами и применяется для изготовления различных деталей. Разновидностью литейных чугунов является природно-легированные чугуны, получаемые из руд, содержащих ванадий, хром, никель и др. Такие чугуны являются хорошим конструкционным материалом.

Специальные чугуны – это сплавы с высоким содержанием одного или двух неосновных их компонентов. Так, ферросилиций содержит более 13% кремния, ферромарганец до 75% марганца. Эти доменные ферросплавы применяют для раскисления и легирования сталей.

В результате плавки, кроме чугуна, получаются некоторые побочные продукты: шлак, доменный газ и колошниковая пыль. Доменный шлак – это сплав пустой породы, флюсов и золы кокса, он используется как строительный материал. Из него изготавливают шлакобетонные блоки, шлаковату. Большая часть шлака гранулируется и служит сырьем для изготовления цемента. Доменный газ после очистки его от пыли используется в доменном цехе в воздухонагревателях и для работы воздуходувных машин. Колошниковая пыль улавливается и используется при производстве агломерата.

Маркировка чугунов.

Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ12, СЧ15, СЧ18, СЧ21, СЧ23, СЧ24, СЧ32, СЧ36, СЧ40), показывающими среднее временное сопротивление при растяжении (кгс/мм2). Например, чугун марки СЧ12 имеет qв≥12 кгс/мм2 (120МПа), СЧ40- qв =40 кгс/мм2 (400 МПа).

Высокопрочные и ковкие чугуны маркируют соответсвенно буквами ВЧ и КЧ и цифрами (например, ВЧ40-10, ВЧ45-5, ВЧ50-2,5, КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3), при этом первые две цифры указывают на средний qв, а следующие на относительно удлиненные.

Специальные чугуны имеют обозначения в маркировке, указывающие их значение. Например, антифрикционные (А) чугуны АСЧ-1, АСЧ-2, АКЧ-1, АВЧ-1 предназначены для работы в паре с термообработанным (нормализованным или закаленным) валом, АСЧ-3, АКЧ-2 и АВЧ-2 – в паре с сырым (в состоянии поставки) валом.

Жаростойкие чугуны маркируются буквами ЖЧ, цифрами показывающими в процентах среднее содержание основного (Cr, Si, Al) легирующего элемента (например, ЖЧХ-20, ЖЧХ-22).

Производство чугуна. Исходное сырье для производства чугуна

РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ
Основы металлургического производства

6. Производство чугуна

6.1. Доменное производство

Основным способом получения чугуна является доменный процесс, осуществляемый в специальных (доменных) печах. Доменная печь работает непрерывно до капитального ремонта в течение многих лет.

Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов. Соответствующая технологическая схема представлена на рис.6.1.

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного

Рис.6.1 — Схема металлургического производства

агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых мате­риалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна.

^ 6.2. Исходное сырье для производства чугуна

Железные руды

. Железными рудами называют породы, содержащие металл. Обычно в руде содержится металл в таком количестве, которое позволяет экономично и выгодно извлекать металл.

Железные руды представляют собой главным образом соединения железа с кислородом (окись железа) и пустой породой (землис­той примесью в виде песка, глины и известняка). Рудным минералом называют природные химические соединения железа. В доменных печах железо практически полностью (98 — 99%) переходит в состав чугуна.

^ Пустая порода

(балластные соединения, не содержащие железа) может иметь различный химический состав. Обычно она состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ кремнезем и реже — из известняка или доломита. В доменной печи пустая порода плавится и переходит в состав шлака.

В зависимости от количества пустой породы железные руды разде­ляют на богатые, содержащие 45 — 70% железа, и бедные. ^ Богатые ру­ды

после дробления и сортировки направляют в плавку, а
бедные
под­вергают обогащению, в результате которого увеличивается относи­тельное количество окислов железа.

В железных рудах всегда содержится некоторое количество вред­ных примесей — серы, мышьяка и фосфора. В первую очередь разрабатывают месторождения, железная руда которых содержит незначительное количество вредных примесей и незначительное количество пустой породы.

Для выплавки чугуна применяют красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки, а также комплексные железные руды.

^ Красный железняк

(гематит) содержит 55-70% железа в виде безводной окиси железа Fe 2 O 3 . Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного желез­няка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также на Урале и в Сибири.

^ Бурый железняк

содержит 35-55% железа в виде водных окислов и чаще всего в виде лимонита. В некоторых видах бурого железняка содержится много фосфора. Пустая порода имеет песчано-глинистое происхождение. Находящаяся в буром железняке гидратная влага при высоких температурах удаляется и руда становится пористой и хорошо восстановимой.

^ Магнитный железняк

(магнезит)- минерал черного цвета, содержащий железа 45 — 70%. Это наиболее богатая руда, с небольшим содержанием вредных примесей — серы и фосфора, обла­дает магнитными свойствами, плотна. Железо восстанавливается с трудом.

^ Комплексные железные руды

, кроме железа, содержат и другие металлы, которые во время плавки переходят в чугун и легируют его, т. е. улучшают многие его свойства. К более ценным комплексным же­лезным рудам относятся следующие:

Хромоникелевая железная руда, представляющая собой бурый железняк (35 — 40% Fe) с примесью хрома (0,8-1,6%) и никеля (0,4-0,7%);

Читайте также: Ст3Кп2 расшифровка – Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества ВСт2кп — характеристики, свойства, аналоги

Ванадистые титаномагнетиты руды состоят из смеси магнетита, ильменита и трехокиси ванадия и содержат 38-47% Fe, 5-15% ТiO 2 , 0,3 — 0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путем.

^ Марганцевые руды

. Железные руды обычно содержат незначительное количество марганца, поэтому при выплавке чугуна в шихту приходится добавлять марганцевую руду.

В доменном производстве применяют марганцевые руды с содержанием 25 — 40% Мn. Пустая порода этих руд обычно глинистый песок. Поэтому марганцевые руды непрочны: при добыче и перевозке образуется много мелочи и пыли. На некоторых рудниках марганцевые руды промывают водой для обогащения.

Наиболее крупные запасы марганцевых руд сосредоточены в Чиатурском (Грузия), Никопольском (Украина) и Мазульском (вблизи г.Ачинска) месторождениях.

^ Отходы металлургического производства

. В доменную печь загружают также некоторое количество металлургических отходов: колошниковую пыль (30 — 45% Fe и 3 — 12% С), которую предварительно подвергают окускованию; металлический скрап; передельные шлаки сталеплавильного производства с повышенным содержанием марганца (10 — 18% Fe, 6 — 10% Мn); окалину прокатного и кузнечного производств и сварочные шлаки.

— это различные минеральные вещества, добавляемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустых пород, удаления золы и серы, а также остатков сгоревшего топлива. Флюсы образуют с пустой породой и золой топлива легкоплавкие сплавы, которые отделяются от металла в виде шлака. Способствуя образова­нию шлаков, флюсы тем самым дают возможность отделить от металла пустую породу.

При наличии в руде песчано-глинистых примесей в качестве флюса применяют известняк, а при известковистом составе пустой породы флюсом служат вещества, содержащие кремнезем, кварц и песчаник.

Значение топлива в металлургии исключительно велико, так как процессы получения металлов из руд. производства стали и цветных металлов связаны с их расплавлением. Кроме того. обработка металлов давлением (прокатка, ковка, штамповка), терми­ческая обработка и др. также требуют нагрева.

Топливо является не только источником тепла для расплавления руды, но также участвует в химических реакциях протекающих в доменной печи при выплавке чугуна.

При производстве чугуна применяется твердое топливо — кокс или древесный уголь.

получают путем нагрева особых спекающихся (коксующихся) каменных углей Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского и Пе­чорского бассейнов в специальных печах при температуре 1000- 1100°С без доступа воздуха. Теплотворная способность кокса 7000 — 8000 ккал/кг.

Кокс обладает значительным сопротивлением раздавливанию и истиранию. Недостаток кокса — высокое содержание серы (до 2%) и золы (9-12%).

^ Древесный уголь

— продукт нагрева древесины при 400 — 500°С без доступа воздуха. Это наиболее совершенный вид топлива. Содержание золы в древесном угле около 0,8 — 1,0%, а сера и фосфор практически отсутствуют. Недостаток древесного угля — малая проч­ность, что ограничивает высоту доменных печей. Необходимость бе­режного отношения к лесным богатствам позволяет применять дре­весный уголь только для выплавки высокосортных чугунов.

Одним из наиболее эффективных заменителей кокса для доменного процесса является природный газ, применение которого снижает себестоимость чугуна, так как стоимость газа в десятки раз ниже стоимости кокса.

^ 6.3. Подготовка шихты к плавке

Кокс перед загрузкой в доменную печь просеивают на роликовых (дисковых) грохотах. Флюсы дробят в щековых или валковых дро­билках, а затем просеивают на колосниковых (встряхивающих) или барабанных (вращающихся) грохотах.

Подготовка железных руд к плавке зависит от содержания в них железа и их физических свойств. Богатые железные руды направляют на специальные фабрики для дробления и сортировки. Крупные фрак­ции железных руд (более 60-100 мм) поступают на дробление до кус­ков средних размеров с последующей сортировкой. Средние фракции (30-80 мм) направляют железнодорожным или водным транспортом без предварительной обработки на склад металлургического завода.

При складировании железных руд на металлургическом заводе принята определенная система, позволяющая усреднять их состав.

Руду выгружают из вагонов или судов в высокие штабеля и затем пересыпают грейферным краном с одного места на другое. Этим дости­гается перемешивание руды и выравнивание ее химического состава.

Бедные железные руды перед доставкой на металлургический завод обогащают. Известно несколько способов обогащения железной руды. Так, бурый железняк с песчано-глинистой пустой породой промывают сильной струей воды. Пустая порода отделяется от рудного вещества и уносится водой. Эту операцию осуществляют в корытных мойках, вра­щающихся в цилиндрических или конических барабанах, а также в от­садочных машинах с неподвижным или подвижным решетом и пульси­рующей восходящей струей воды. Промытую руду после естественной или искусственной сушки направляют в плавку.

Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита Fe 3 O 4 , обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабан­ного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями магнетита дробят до кусков размерами 25 — 30 мм и подвергают сухой магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магне­тита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают мокрой магнитной сепарации.

Мелкие фракции железных руд и концентрат, оставшиеся после отсева и мокрой магнитной сепарации, а также пылеватые железные руды можно использовать для плавки только в окускованном виде.

Доля концентрата в общем производстве руды достигла 62%, а доля железа в ряде случаев достигает 69%.

Известно несколько способов окускования рудной мелочи и пылеватых руд. Так, при брикетировании мелкий материал прессуют в специальных формах с добавкой связующих материалов (глины, жидкого стек­ла, смолы, цемента) или без них. После воздушной сушки или высоко­температурного обжига полученные брикеты приобретают необходи­мую прочность. Они представляют хороший материал для выплавки чугуна, однако процесс их получения сложен и недостаточно произво­дителен.

Очень перспективна и все шире применяется подготовка к плавке пылеватых руд и тонкоизмельченного рудного концентрата путем изготовления комков или окатышей. Для получения окатышей пылеватую рудную массу смешивают с незначительным количеством связ­ки (тонкоизмельченой глиной, известью и др.), затем увлажняют до 8 — 10% и загружают в смесительное устройство — вращающуюся неглубокую наклонную чашу или в барабан. При вращении смесителя увлажненная рудная шихта перемешивается. Сначала образуются слипшиеся комочки, а затем шаровидные комки (окатыши) размерами 25-30 мм. После механизированной выгрузки из смесителя окатыши подвергают сушке и обжигу.

Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых железных руд агломерацией

(спеканием) на колосниковой решетке аг­ломерационных машин. Производительность этих машин достигает 2-2,5тыс.т агломерата в сутки. Для агломерации приготовляют спе­циальную шихту, состоящую из рудной мелочи размером 5-8 мм, колошниковой пыли, рудного концентрата и измельченных до 3 мм отходов коксика. Масса коксика составляет 6 — 10% массы шихты; соотношение между массами рудной мелочи, колошниковой пылью и концентратом определяется местными условиями. Эту шихту перед спеканием увлажняют до 5 — 6% и тщательно перемешивают в смеси­тельных устройствах. При перемешивании образуются комочки, в результате чего шихта приобретает зернистый характер. В таком сос­тоянии ее загружают на колосниковую решетку агломерационной ма­шины слоем толщиной 200 — 300мм и поджигают газовой горелкой сна­ружи. Под колосниковой решеткой находятся вакуумные камеры; мощный эксгаустер создает в них разрежение. Оно обеспечивает про­хождение воздуха через слой шихты и, следовательно, перемещение зоны горения коксика по толщине шихты (горение заканчивается у колосниковой решетки агломерационной машины). При горении кок­сика развивается высокая температура (до 1450°С) и образуется по­ристый продукт (агломерат).

Образование агломерата обусловлено появлением в горячем слое шихты файялита, имеющего температуру плавления около 1210°С. С другими окислами шихты файялит образует более легкоплавкие соединения, переходящие в жидкое состояние при 1130-1200°С. Эти соединения размягчаются и плавятся раньше дру­гих компонентов шихты. При этом они связывают более тугоплавкие и крупные частицы руды. Количество этой связки зависит от содержания кокса в шихте. Чем оно больше, тем прочнее агломерат после остыва­ния.

Агломерат обладает достаточной прочностью, высокой пористостью, хорошей восстановимостью. Применение его увеличивает производи­тельность доменной печи и несколько сокращает расход топлива на 1 т чугуна.

В последнее время на металлургических заводах стали широко при­менять офлюсованный агломерат, получаемый путем спекания желез­ной руды с добавкой известняка. Оптимальное количество известняка в агломерате определяется отношением, т.е. его основностью. Основность агломерата и доменного шлака в среднем равна 1 — 1,4.

Офлюсованный агломерат восстанавливается легче обычного, но он прочен. Такой агломерат облегчает образование шлака в доменной пе­чи, уменьшает расход известняка и кокса. При использовании офлюсованного агломерата флюсы в доменную печь не загружают.

^ 6.4.Устройство доменной печи

Технический прогресс в доменном производстве характеризуется прежде всего увеличением объемов доменных печей.

На рис.6.2. дана современная схема доменного производства.

Доменную печь относят к печам шахтного типа. Рабочее пространство печи состоит из горна, заплечиков и шахты. Шахта — часть печи выше заплечиков; она состоит из нижней цилиндрической час­ти — распара, средней конической части и верхней цилиндричес­кой части — колошника.

Колошник предназначен для приемки шихтовых материалов и отвода газов. Коническая часть шахты облегчает опускание про­плавляемых материалов и распре­деление газов по поперечному се­чению печи. Сужение заплечиков книзу связано с уменьшением объ­ема материалов при переходе в жидкое состояние (чугун и шлак).

В верхней части горна располо­жены воздушные фурмы. Из коль­цевого воздухопровода воздух пос­тупает к каждой фурме печи по футерованному фурменному рука­ву и металлическому патрубку. Воздушная фурма состоит из собст­венной фурмы, бронзового коничес­кого холодильника и чугунной ам­бразуры, закрепленной в огнеупорной кладке печи. Медная водоохлаждаемая фурма выступает внутрь печи на 150-200 мм для отвода дутья от стены печи. Диаметр вы­ходного отверстия фурмы состав­ляет около 150 — 160 мм.

Нижнюю часть горна называют лещадью. Она состоит из несколь­ких рядов высококачественного шамотного кирпича или из графито-глинистых блоков. На ней собирается чугун и шлак, выпуска­емые через соответствующие летки в ковши.

Чугунная летка находится на 600 — 1700 мм выше уровня лещади.Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего: через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах — свыше 3200м 2 — ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

Шлаковые летки располагают на 1,4-1,9м выше уровня чугунной летки. Шлаковая летка представляет медную коническую водоохлаждаемую кольцевую трубу, узкое отверстие которой направлено внутрь пе­чи, а более широкое наружное — в сторону желоба для выпуска шлака. В период между выпусками шлака летку закрывают металлическим стопором.

Доменная печь опирается на железобетонный фундамент. По на­ружной поверхности фундамента установлены стальные колонны, под­держивающие опорное кольцо шахты печи.

Огнеупорная кладка шахты охвачена стальным кожухом, имеющим коробчатые холодильники, по которым циркулирует вода. Стенки гор­на и заплечиков заключены в прочную стальную броню с плитовыми холодильниками.

Над колошником печи имеется засыпной аппарат, состоящий из узкой приемной вращающейся воронки.

^ 6.5. Порядок работы доменной печи

Задувка доменной печи

. Новую доменную печь после проверки работы оборудования ставят под задувку, т.е. ее подготавливают для непрерывной работы в течение 5-10 лет. Задувку печи начинают с медленной сушки огнеупорной кладки в течение 5 — б суток. Для этого в горне сжигают доменный газ или подают туда горячее воздушное дутье от действующей печи. На новом заводе первую печь сушат при сжигании на лещади дров и кокса. Воздух для горения подают через фурмы, газообразные продукты горения отводятся через колошник.

После сушки и некоторого прогрева кладки в печь осторожно за­гружают задувочную шихту, поджигают кокс около фурм и подают дутье. Задувочная шихта состоит только из одного кокса (холостые колоши), а затем — из кокса с небольшим количеством флюса и руды. С развитием горения кокса в загружаемой шихте увеличивают со­держание руды и флюсов до расчетных значений.

Первый выпуск шлака из доменной печи производят через 15-20ч после задувки, а чугуна — через сутки. Образующийся при задувке печи газ сначала выходит в атмосферу, а затем направляется на газоочистку и далее потребителю.

Схема работы доменного цеха приведена на рис.6.4. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах к скиповой яме. Скип загружают шихтой из загрузочной воронки. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку с малым конусом, затем в загрузочную воронку с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.

После загрузки очередной порции шихты приемная воронка с ма­лым конусом поворачивается на 60°, что позволяет равномерно распре­делить шихту на поверхности большого конуса перед опусканием ее в печь. Маневрирование большим и малыми конусами в загрузочном ап­парате доменной печи производится независимо друг от друга.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой является металлическое железо. Она называется реакцией косвенного восстановления.

^ 6.6. Сущность процессов, происходящих в доменной печи

Реальное исходное сырье металлургического производства загруженное в доменную печь претерпевает сложные процессы. Так при горении кокса вблизи фурм печи проплавляемые материалы постепенно опускаются навстречу потоку раскаленных газов, образу­ющихся в горне и в заплечиках печи. Под действием потока раскален­ных газов шихтовые материалы нагреваются и претерпевают ряд физических и химических изменений. На колошнике печи температура га­зов равна 300 — 550°С, а вблизи фурм она достигает 1900°С. Здесь про­исходит горение углерода кокса по реакции

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция

). При контакте с раскаленным коксом образо­вавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свой­ства.

При соприкосновении в печи с отходящими газами шихтовые ма­териалы теряют сначала гигроскопическую, а затем и химически свя­занную влагу. Вследствие потери влаги (дегидратации) масса кусков шихты уменьшается; они делаются более пористыми и иногда растрес­киваются. Удаление связанной (гидратной) влаги начинается при 102- 105°С и в некоторых случаях заканчивается при 450 — 500°С.

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н 2 , СН 4 и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение

(диссоциация) углекислых соединений, содержащихся в флюсе и некоторых видах железной руды (сидерите). Температура начала и конца разложения зависит от химической природы углекис­лых соединений и величины кусков. Так, разложение известняка с переходом его в известь происходит при 900 — 1000°С по реакции

Разложение сидерита с образованием магнетита наблюдается при более низких температурах (400 — 550°С) по реакции

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО 3 и дру­гих углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних гори­зонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции С); твердый углерод находится в раскаленном коксе. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато.

Наиболее важна реакция, конечным продуктом которой являет­ся металлическое железо. Она называется реакцией косвенного вос­становления железа и протекает при умеренных температурах (500 — 900°С) с выделением тепла.

В присутствии раскаленного кокса и при более высоких температу­рах (выше 1000-1100°С) в печи происходит не только восстановление железной руды до металлического железа, но и очень быстрая регене­рация окиси углерода.

Одновременное течение реакций позволяет суммировать их и получить

Реакцию (6.5) называют реакцией прямого восстановления железа

. Она происходит при взаимодействии окисла с твердым углеродом кокса или углеродом, отложившимся в порах железной руды при низких температурах в виде сажи. Прямое восстановление железа происходит в районе распара печи и чем выше температура находящихся здесь материалов тем лучше, так как реакция
эндотермическая
идет с поглощением тепла.

Образующееся в печи металлическое железо находится сначала в твердом виде (губчатое железо), поскольку оно имеет высокую темпе­ратуру плавления (1539°С). В присутствии окиси углерода губчатое металлическое железо постепенно науглероживается.

Температура плавления этого железа понижается до 1150-1200°С. Науглероженное железо (1,8-2%) переходит в жидкое состояние и стекает каплями между кусками раскаленного кокса на лещадь печи. Во время перемещения капельки металла дополнительно насыщаются углеродом примерно до 3,5-4%, т. е. до обычного содержания угле­рода в жидком чугуне.

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа про­исходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, ко­торые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме . Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеро­дом по реакции

Реакция (6.6) сопровождается поглощением тепла и протекает при температурах выше 1100 — 1200°С. Это определяет режим работы печи при выплавке чугуна марганцовистых марок. Печь должна работать при повышенном расходе кокса и возможно более высоком нагребе дутья (до 1200°С и выше; в перспективе даже до 1400°С).

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом.

Для достижения высоких температур и форсирования плавки ших­ты в печь подают горячий воздух ^ 6

(дутье). Холодный воздух из возду­ходувки пропускают через нагретую до 1000-1200°С насадку воздухо­нагревателя
12
. В результате воздух нагревается до 780-950°С. Пока один воздухонагреватель
12
отдает тепло кладки холодному воздуху (и в результате остывает), второй воздухонагреватель
13
нагревается до температуры 1200°С, т.е. регенерирует тепло, выделяющееся при сжигании доменного газа, предварительно очищенного от пыли в га­зоочистителе
14
; продукты горения удаляются в дымовую трубу
15
.

После остывания насадки воздухонагревателя 12

и достаточного нагрева насадки воздухонагревателя
^ 13
производят перекидку клапанов; холодный воздух направляется в воздухонагреватель
13,
а воздухонагреватель
12
нагревается. Обычно воздухонагреватель работает на на­грев дутья около 1 ч и на разогрев огнеупорной насадки около 2 ч. Поэтому для бесперебойного обслуживания печи необходимо иметь три воздухонагревателя. Через шлаковую летку
10
удаляется шлак, а через летку
11
— чугун.

Таким образом, доменный цех со вспомогательными производствами представляет сложную систему, призванную бесперебойно и непрерывно работать много лет без остановки.

Рис.6.4 — Схема работы доменного цеха

Эта реакция в чистом виде развивается при 1450°С, но в присутствии восстановленного металлического железа начинается при более низкой температуре (1050-1100°С). Таким образом, при выплавке чугуна крем­нистых марок печь также работает при повышенном расходе кокса и более высоком нагреве дутья.

Фосфор попадает в шихту в виде фосфорнокальциевых солей. В присутствии пустой породы железной руды фосфор восстанавливается твердым углеродом. Реакция происходит в печи очень легко и фосфор полностью переходит в чугун.

При достаточно большом насыщении шлака известью (45 — 50%) в горне печи наблюдается реакция, в результате которой часть серы переходит в шлак в виде нерастворимо­го в металле сернистого кальция. Для более полного протекания реак­ции необходимо регулировать образование шлака в печи. В част­ности, в шихту следует подавать определенное количество известняка и поддерживать в горне высокую температуру. Последняя зависит от расхода кокса, температуры дутья и правильного режима шлакооб­разования в верхних частях печи.

Образование шлака в печи происходит в две стадии. Примерно на уровне распара или нижней части шахты сначала образуется первич­ный шлак на основе легкоплавкой смеси нескольких окислов — извести, кремнезема, глинозема и закиси железа. При некотором соот­ношении указанных компонентов первые порции жидкого железистого шлака образуются при 1160 — 1200°С. Первичный шлак, стекая в горн, нагревается до более высоких температур и изменяет химический состав в связи с растворением в нем золы кокса, флюсов и остатков пустой породы железной руды. В конечном шлаке остается очень мало закиси железа, но он обогащается известью, окисью магния, иногда глиноземом. В связи с этим обессеривающая способность шлака в горне резко возрастает.

^ 6.7. Продукция доменного производства

Современная доменная печь поглощает большое количество шихто­вых материалов и воздуха. Так, для производства каждых 100т пере­дельного чугуна необходимо в среднем подать в печь 190т железной руды (включая агломерат), 95т кокса, 50т известняка и около 350т воздуха. В результате кроме 100т чугуна получается около 80т шлака и 500т доменного газа. Чугун — это сплав железа с углеродом и другими примесями, в котором содержание углерода колеблется в пределах от 4,14% до 6,7%.

Углерод в чугуне может содержаться в виде механиче­ской примеси (свободного графита) и химического соединения с желе­зом, называемого карбидом железа или цементитом (Fe 3 C). Чугуны, содержащие свободный графит, имеют в изломе серый или темно-серый цвет и крупнозернистое строение. Эти чугуны применяются для получения отливок, так как хорошо заполняют формы и легко поддаются обработке режущими инструментами. Они называются серыми

или
литейными
чугунами. Характерным для них является повышенное содержание кремния и пониженное содержа­ние серы.

Кроме литейных и передельных чугунов, в доменных печах полу­чают специальные

чугуны, или
ферросплавы.
Ферро­сплавы имеют повышенное (более 10%) содержание одного или не­скольких элементов, например, кремния, марганца и др.; применяются в качестве специальных присадок при выплавке стали.

В табл.6.1. приведено примерное содержание элементов в передель­ных, литейных чугунах и ферросплавах. Передельные чугуны разделяются по способу их дальнейшей переработки на сталь на мартеновские (М), бессемеровские (Б) и томасовские (Т). Кроме передель­ных чугунов, указанных в табл.6.1, выплавляются высококачественные чугуны трех марок (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ) с пониженным содержанием фосфора и серы. В нашей стране 75-80% выплавляемого чугуна составляет передельный чугун, 15-20% — литейный чугун и остальное — ферросплавы.

^ Таблица 6.1

—
Химический состав чугуна различных сортов (в %)Сорта чугуна

Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2 тыс. м 3 и более (рис. 1.1). Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3. Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300. 400°С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1.

Рис. 1.1. Схема доменной пе­чи шахтного типа

Шахта печи пред­ставляет собой расширяющийся книзу конус, что обес­печивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления. В распаре шихта плавится и объ­ем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями сте­кает в горн, в процессе перемещения оно насыщается уг­леродом.

Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000 °С. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.

Доменный процесс относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с под­нимающимся снизу вверх потоком нагретых восстанови­тельных газов.

При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом является сгорание углерода раскаленно­го кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО₂. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса СО₂ неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:

Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.

Второй процесс характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н₂ (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется косвенным, а твердым углеродом — прямым..

Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна. Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом. Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150. 1200 °С) в сравнении с чистым железом (1539 °С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

Жидкий чугун стекает вниз и собирается в горне. Пус­тая порода, известняк и кокс при опускании вниз попа­дают в зону более высоких температур и на уровне рас­пара расплавляются и образуют жидкий шлак.

В получаемом чугуне кроме железа содержатся полез­ные (Мn и Si) и вредные (S и Р) примеси. Марганец вос­станавливается твердым углеродом. В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некото­рое количество в виде соединений МnО удаляется шла­ком и в виде соединения Мn₃ О₄ — в газовую фазу домен­ной печи. Часть полученного кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке.

Фосфор, как и железо, полностью восстанавливается в доменной печи и переходит в металл,

Сера вносится в печь коксом (основная доля) и железорудными материалами. Часть серы удаляется в виде газов, большая же часть входит в состав шлака в виде СаS и FеS, последний растворяет­ся в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключаете в том, чтобы перевести ее в нерастворимые в железе сое­динения в присутствии шлака.

Продукты доменного производства и их при­менения

Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на передельные, литейные и специальные.

1. Передельные чугуны выпускаются трех видов: для сталеплавильного (марки П1 и П2) и литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств; фосфористый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ); высококачественный (ПВК1, ПВК2 и ПВКЗ). Доля углерода в этих чугунах составля­ет в среднем 4 %.

2.Для производства фасонных чугунных отливок выпус­каются литейные чушковые чугуны: обычные (мар­кировка Л) и рафинированные магнием (ЛР).

3. Специальные чугуны, или ферросплавы, приме­няются для раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зер­кальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

1. Из доменного шлака изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому ох­лаждению в воде).

2. Колошниковый газ в больших объемах используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздухона­гревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Доменный процесс получения чугуна

1) Железняки – источник железа. 2) Кокс – топливо и восстановитель. 3) Известняк – при высокой температуре разлагается в образованием СаО, который действует как флюс и переводит кремнистые пустые породы в шлак CaSiO3. 4) Воздух – поддерживает горение кокса с выделением тепла. Удаляет некоторые неметаллические примеси (кремний, мышьяк) в виде летучих оксидов. Окисляет окись железа FeO в руде до Fe2O3, что способствует сохранению железа в руде. Окись железа FeO, основная по природе, реагирует с SiO2 c образованием шлака FeSiO3. Воздух делает руду пористой, что способствует однородному восстановлению железа.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны. 

Конструкция доменной печи

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа. Типичная доменная имеет внизу диаметр 6-8 м и высоту 20-36 м. Самая большая домна, японская, имеет диаметр 14,9 м. Профиль доменной печи и ее температурные зоны показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Профиль доменной печи. Материалы на входе и выходе. Основные химические реакции

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет — до 10 лет.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

• чугун;
• шлак;
• доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.
Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Восстановление окислов железа

Главная задача доменного процесса – восстановление железа из его оксидов. Основную роль в восстановлении железа играют окись углерода и атомарный сажистый углерод, которые образуются в результате доменного процесса.

Зоны реакций восстановления и их температуры в доменной печи показаны на рисунке 2.

Читайте также: Рейсмусовый станок – что это такое, устройство, принцип работы, характеристики, для чего нужен?

Рисунок 2 – Схема восстановления окислов железа при производстве чугуна в доменной печи

Восстановление окислов железа идет в следующей последовательности:

Основными реакциями восстановления

В восстановлении железа также участвует водород, который образуется из воды, которая содержится в шихте.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Источник https://xn--b1ac1aqnee.xn--p1ai/stanki-drugoe/ishodnoe-syre-dlya-proizvodstva-chuguna.html

Источник https://studopedia.ru/11_14955_osnovnie-fiziko-himicheskie-protsessi-polucheniya-chuguna-v-sovremennih-domennih-pechah.html

Источник https://dom-kirov.ru/sdelano-rukami/domennyj-process-proizvodstva-chuguna.html