Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,
• восстановление железа и других элементов,
• науглероживание железа,
• плавление металла,
• образование и плавление шлаков,
• горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

СО₂, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450÷500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки;

Устройство доменной печи

Доменная печь-это печь шахтная, работает по принципу противотока(исходные материалы), которыми являются руда, флюс, топливо, загружают в печь сверху, а на встречу им принимаются газовосстановители образовавшиеся в результате сгорания твердого топлива которым является флюс.

Колошник Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа.

Шахта На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов. Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

Распар Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

Заплечики Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

5. Горн Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью.

Основной продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фос­фором. В состав легированных чугунов входят хром, ни­кель, ванадий. Чугуны разделяются на передельные, из которых получают сталь; литейные, предназначенные для отливки различных изделий, и доменные ферроспла­вы, предназначенные для легирования и раскисления стали.

Вопрос 7. Производство стали. Сущность процесса. Исходные материалы. Основные законы физической химии. Этапы процесса выплавки. Способы раскисления и легирования стали. Используемое оборудование.

Производствосталей это процесс окислительный используют примесей чугуна пределов при помощи чистого кислорода –воздуха и руды.

Сущость процесса стали является снижение содержания углерода и примесей входящих в состав чугуна и перевода их в шлак и газы в процессе плавки.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

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 углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, CO₂, N₂, 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. 510 °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 СаСО₃ = СаО + СО₂.

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), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления — эндотермические (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:

Восстановление железа заканчивается при 1100. 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со 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 Т_пл = 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте доменной 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 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: МnО₂ — > Мn₂О₃ — > МnО₃ — > МnО. Оксид марганца (МnО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Мn₃С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в виде SiO₂, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO₂ переходит в шлак. Кремний восстанавливается при температурах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO₃) *Р₂О₅ и (СаОз) *Р₂О₅. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe₃P полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FeS, CaSO₄. 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 + СаО => 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 соединений, растворения в железе С, Mn, Si, P, 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 — 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 чугуновозные 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.

Характеристика вредных веществ, выделяющихся при выплавке чугуна

Азот и его соединения — развивается токсический отек легких «синего» или «серого» типа. Сразу после вдыхании появляется небольшой быстро проходящий кашель, отмечаются першение в горле, боли за грудиной, обусловленные раздражением слизистой оболочки дыхательных путей.

Окись углерода — хроническая интоксикация характеризуется расстройствами функции центральной нервной системы. Могут отмечаться боли в области сердца, повышение артериального давления.

Пыль — это твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Средний размер этих частиц составляет 11-5 1 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Пыль обладает раздражающим, аллергенным, токсигенным и фиброгенным действием. У рабочих металлургического производства частые жалобы на насморк, чихание, кашель, сухость в горле, головную боль. Аллергические заболевания дыхательных путей встречаются чаще у рабочих с большим стажем (в среднем после 8 лет работы).

1.2. Основные физико-химические процессы в современных доменных печах

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2-3 тыс. м 3 рис. 1.1), с полезной высотой 35 м. Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3 шамотным кирпичем.. 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 . Шахта печи представляет собой расширяющейся 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 насыщаеется 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,(сопров выделен теплоты- экзотермическая),

а твердым углеродом — прямым. сопров поглощен теплоты- эндотермическая Главные реакции восстановления: от высшего оксида к низшему

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.

В доменных печах с применением природного газа или мазута степень прямого восстановления железа, протека­ющая по реакции, FeO+ C==Fe+CO—Q, составляет 20. . 40%.

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 по реакции

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 (Мп и Si) и вредные (S и Р) примеси.

В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некото­рое количество в виде соединений МпО удаляется шла­ком и в виде соединения МпзО4 — в газовую фазу домен­ной печи. t — 1100

Восстановление кремния осуществляется по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2СО — Q.

Часть полученного кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке

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

В доменном процессе удалению серы из металла при­дается большое значение. 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 CaS и FeS, последний растворяет­ся в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключается в; том, чтобы перевести ее в нерастворимые в железе сое­динения в присутствии шлака по реакции

FeS + СаО + С = CaS + Fe + CO.

Продукты доменного производства и области их при­менения.

Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на

Передельные чугуны вы­пускаются трех видов:

для сталеплавильного (марки П1 и П2)

литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств;

фосфорис­тый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ);

высококачественный (ПВКЛ, ПВК2 и ПВКЗ).

Доля углерода в этих чугунах составля­ет в среднем 4 %.

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

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

Качество чугунов может быть улучшено внедоменной обработкой в ковшах, направленной на удаление серы и кремния.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

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

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.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым распространенным и производительным процессом по сравнению с другими процессами получения чугуна. До­менный процесс широко механизирован и автоматизиро­ван.

Источник https://megaobuchalka.ru/10/21770.html

Источник https://studbooks.net/1413783/bzhd/fiziko_himicheskie_protsessy_domennoy_plavki

Источник https://studfile.net/preview/5333618/page:3/