Доменный процесс

Доменный процесс

Основным топливом доменной плавки является кокс – кусковой пористый материал из спекшийся углеродистой массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Доменный процесс стараются вести так, чтобы обеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса. В данном отчёте мы рассмотрим процессы, происходящие в доменной печи, и всё что с ними связано. 1. Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике. В современной доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4-6 ч, а газов - около 3-12 с.

Высокие показатели плавки могут быть получены при хорошем распределении газов по сечению печи.

Только в этом случае газы в максимальной степени отдадут физическое тепло материалам и наиболее полно будет использована их восстановительная способность.

Естественно, что распределение газового потока по сечению печи зависит от сопротивления столба шихты, через которую проходят газы. Учитывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим сопротивлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи с учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Если этого не делать, то основная часть газов будет двигаться по зонам с малым сопротивлением шихты и покидать печь с высокой температурой, Т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с не полностью использованной восстановительной способностью. В то же время в участках с большим сопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо нагретой и восстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней части печи, т.е. увеличения расхода кокса. При загрузке, прежде всего, учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стремятся двигаться у стен.

Поэтому целесообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре - толще слои кокса, что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно. На печах с двух конусным засыпным аппаратом шихту загружают в печь отдельными порциями - подачами.

Подача включает несколько скипов (чаще четыре и иногда три, пять, шесть) и состоит из рудной части (в основном агломерата) и кокса, взятых в соотношении, вытекающем из расчета шихты.

Подача может быть совместной, когда все входящие в нее скипы агломерата и кокса накапливают на большом конусе путем опусканий малого конуса без его вращения и затем загружают в печь за одно опускание большого конуса (пример ее обозначения: AAKt); раздельной, когда агломерат загружают одним опусканием большого конуса, а кокс - вторым (AAtKKt) и расщепленной, когда подача загружается в два приема, но в каждой полуподаче есть и кокс и агломерат (AAK, KKAt). В приведенных обозначениях знак t означает опускание большого конуса, А - скип агломерата, К - скип кокса. (Порядок набора подачи и распределения подач по окружности колошника дан выше при описании засыпного аппарата.) Для управления распределением агломерата и кокса по сечению колошника применяют следующие приемы: изменение порядка набора скипов агломерата и кокса на большом конусе, использование раздельных и расщепленных подач, изменение массы подачи, :ступенчатое изменение уровня за сыпана колошнике, неполное опускание большого конуса при выгрузке подачи в печь, установку подвижных плит у стен колошника. При регулировании распределения шихты с помощью этих приемов учитывают следующие известные закономерности ведения сыпучих материалов: - падающие с большого конуса материалы укладываются на колошнике с возвышением - гребнем; при расположении гребня у стены он имеет один скат, а на удалении от стены - два cката; - в месте падения шихты (у гребня) скапливается больше мелочи, а крупные куски в значительной мере скатываются к подножию гребня, в связи с чем газопроницаемость шихты в зоне гребня ниже. При этом основная часть мелочи - это агломерат; - на расположение гребня влияет уровень засыпи на колошнике, при снижении уровня засыпи от H 1 до H 3 гребень приближается к стенкам колошника; - расположение гребня зависит от величины зазора между большим конусом и стенкой колошника; при малом зазоре гребень располагается у стен, при большом отдаляется от стен - угол естественного откоса при свободной укладке падающего сверху кокса меньше, чем у агломерата, поэтому при ссыпании с большого конуса у стен печи получается более толстый слой агломерата, а в центре - кокса - в связи с таким различием углов откоса уменьшение массы подачи ведет к снижению толщины слоя агломерата в центре печи и позволяет создать в центре зону без агломерата с повышенной газопроницаемостью; - неполное опускание большого конуса способствует перемещению гребня материалов к стенкам колошника и попаданию большего количества мелочи на периферию; - при ссыпании подачи с большого конуса ее нижняя часть ложится у стен, образуя гребень, с которого в центр скатывается заключительная часть подачи, Т.е. в центр печи в основном поступает материал из тех скипов подачи, которые на большой конус загружали последними.

Соответственно при подаче агломератом вперед ААКК. в центр поступает заметно больше кокса, а при обратной подаче KKAAt больше агломерата.

Изменение порядка загрузки на обратный является сильно действующим средством перераспределения материалов по сечению колошника и применяется как крайняя мера; меньшее воздействие на распределение материалов оказывают промежуточные порядки загрузки типа KAKAt, AKKAt и др. В целом регулирование распределения шихты по сечению печи с помощью двух конусного аппарата является сложной задачей и непрерывно совершенствуется. В последние годы на некоторых печах у стен колошника устанавливают подвижные плиты, которые можно перемещать в горизонтальной плоскости и изменять угол их наклона.

Падающие на плиты куски шихты отражаются и, изменяя положение плит, можно направлять шихту в заданные зоны колошника. На печах с бесконусным загрузочным устройством шихту загружают в печь через два поочередно открываемых шлюзовых бункера а в бункеры ее доставляют наклонным ленточным конвейером, на котором с определенными интервалами уложены порции агломерата (или смеси агломерата и окатышей) и кокса.. В один бункер с ленты поступает одна порция агломерата или кокса; из бункера порцию выгружают на колошник печи по наклонному вращающемуся лотку, который за время выгрузки порции (60-140 с) совершает более десяти оборотов вокруг вертикальной оси. Для характеристики этого способа загрузки чаще используют не термин 'подача', а цикл загрузки. Цикл загрузки - это повторяющаяся совокупность располагаемых определенном порядке порций шихтовых материалов. Максимальная масса порций определяется объемом шлюзового бункера (50-80м 3 ) засыпного устройства. Число порций в цикле может изменяться в пределах от 5-7 до 14 и более.

Применение вращающегося лотка и изменение угла его наклона в процессе выгрузки из шлюзового бункера каждой порции материала позволяет в очень широких пределах перераспределять шихту по сечению колошника и регулировать толщину слоев агломерата и кокса, добиваясь рациональной ее укладки и эффективного использования газового потока. Чтобы судить о газопроницаемости шихты в доменной печи и о том, насколько хорошо протекают теплообменные и химические процессы между шихтой и газами, желательно иметь данные о температуре и составе газа по сечению.

Повышенное содержание СО 2 в газах и низкая температура указывают на полноту химических и теплообменных процессов в печи. Для интенсивной и экономичной работы печи желательно, чтобы содержание СО 2 на периферии и по оси печи было несколько пониженным, а на расстоянии около 1- 2 м от стен печи - повышенным. На новых печах для контроля температуры и отбора проб газов по сечению печи применяют вводимые через отверстия в кожухе и футеровке зонды, периодически перемещаемые от периферии к центру печи над уровнем шихты и в объеме шихты на расстоянии от 1,5 до 7- 12 м ниже ее уровня. На всех печах контролируют уровень засыпи (верха материалов) на колошнике; общепринят контроль с помощью двух зондов вертикально перемещаемых штанг, пропущенных через отверстие в куполе печи. В рабочем положении нижний конец зонда находится на поверхности шихты, постепенно опускаясь вместе с ней, зонд связан с контрольно-измерительными приборами, отражающими изменение уровня шихты; при ссыпании шихты с большого конуса зонды поднимают.

Начинают применять новые бесконтактные методы измерения уровня, используя показания направленных на поверхность за сыпи инфракрасных, микроволновых и других датчиков. 2. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов.

Распределение температур в печи.

Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем; основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна и шлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации тепло потерь является: тепло, выделяющееся в верхней части горна при сгорании топлива (кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефтепродуктов и угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горна вверх, отдавая тепло опускающимся вниз холодным шихтовым материалам, нагревая их, асами охлаждаются.

Поэтому по мере отдаления от горна кверху температура в печи понижается с 1400-1600 до200-350 0 С на выходе из колошника.

Вместе с тем, на одном и том же горизонте печи при поперечном сечении температура не является постоянной, меняется в довольно широких пределах. Это объясняется тем, что поднимающиеся горячие газы движутся по сечению печи неравномерно; максимальное количество газов проходит в участках поперечного сечения с меньшим сопротивлением шихты и здесь наблюдаются наибольшие температуры.

Удаление влаги Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу.

Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления не требуется дополнительного тепла, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится в соединении с Fе 2 О з (в буром железняке) или с Аl 2 О з (в каолинитах АI 2 О з, 2Si0 2 . . 2Н 2 О). Эти соединения разлагаются при 400-1000 0 С с поглощением тепла.

Однако в связи с тем что в настоящее время сырые руды почти не используются, выделение гидратной влаги заметного влияния на ход плавки не оказывает. 2.2 Разложение карбонатов Карбонаты (углекислые соединения) могут поступать в доменную печь В виде известняка СаСО 3 (иногда он содержит немного СаСО 3 МgСО 3 ), с карбонатной железной рудой(FеСО 3 ) и марганцевой рудой (МnСО 3 ). При нагреве карбонаты разлагаются на СО 2 и оксид металла с поглощением при этом тепла. В настоящее время сырье руды в доменные печи почти не загружают; известняк, необходимый для внесения в доменный шлак СаО, вводят в шихту агломерации и лишь в отдельных случаях для повышения основности шлака немного известняка добавляют в печь. Здесь известняк интенсивно разлагается при температурах и выше по реакции: СаСОз = СаО + СО2 - 178500 Дж.

Помимо затрат тепла на разложение, отрицательным фактором является то, что при температурах более 1000 0 С идет реакция СО 2 + С = 2СО с поглощением тепла и расходованием углерода кокса.

Применение офлюсованного агломерата (т.е. полученного с добавкой известняка в шихту агломерации) и полное выведение известняка из доменной шихты позволяет экономить кокс. При агломерации процесс разложения известняка обеспечивается сжиганием низкосортного топлива (коксика, антрацитового штыба), а не дорогостоящего дефицитного металлургического кокса. 3. Процессы восстановления 3.1. Восстановление железа Железо поступает в доменную печь в виде оксидов: агломерат вносит Fе 2 О. и немного Fе 2 О 3 и FeO, окатыши – Fе 2 О 3 иFе 2 О. и железная руда, если ее применяют, - Fе 2 О 3 иFе 2 О, причем часть этих оксидов находится в виде химических соединений с другими оксидами.

Основная задача доменного процесса - обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов путем их восстановления.

Восстановление заключается в отнятии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида с меньшим содержанием кислорода). Его осуществляют с помощью восстановителя - вещества, к которому переходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Таким образом в процессе восстановления одно вещество теряет кислород (восстанавливается), а другое приобретает его (окисляется). В общем виде процесс восстановления описывается уравнением: МО+В = М+ВО, (1) где М - восстанавливаемый металл; В - восстановитель; МО - восстанавливаемый оксид; ВО - оксид восстановителя. В соответствии с выявленными акад. А.А.Байковым закономерностями восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим: Fе 2 О 3 – Fе 2 О - FeO - Fe. Поскольку при температурах ниже 570 0 С оксид FeO неустойчив и разлагается (на Fе 2 О и Fe), схема восстановления при температурах ниже 570 0 С следующая: Fе 2 О 3 – Fе 2 О - Fe. Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород.

Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - косвенным.

Реакции косвенного восстановления оксидом углерода следующие: при температуре > 570 0 С: 1) 3Fе 2 О 3 + СО = 2Fе 2 О. + CO 2 + 53 740; 2) Fе 2 О + СО = 3FeO + CO 2 + 36680; 3) FeO + СО = Fe + CO 2 + 16060; при температуре 0 С 1) 3Fе 2 О 3 + СО = 2Fе 2 О. + CO 2 + 53740; 2) 1/4Fе 2 О. + СО = 3/4Fe + CO 2 + 2870. Их характерной особенностью является то, что продуктом реакций всегда является COz, и то, что они идут без затрат тепла.

Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием Са и требуют значительных затрат тепла, например: FeO + С = Fe + СО - 152670. Необходимо отметить, что приведенная запись реакции прямого восстановления не отражает механизма ее протекания. Дело в том, что непосредственное взаимодействие углерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность контакта между неровными кусками очень мала.

Поэтому фактически прямое восстановление протекает через газовую фазу и состоит из двух стадий: FeO + СО = Fe + CO 2 , CO 2 + С = 2СО, что после суммирования дает итоговую реакцию прямого восстановления FeO + С = Fe + СО. Таким образом главное, что отличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а это означает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм.

Косвенное восстановление водородом, содержание которого в атмосфере доменной печи может достигать 8-12 %, протекает по следующим реакциям: 3Fе 2 О 3 + Н 2 . = 2Fе 3 О 4 + Н 2 О - 4200; Fе 3 О4 + Н 2 = 3FеО + H 2 O - 62410; FеО + Н 2 = Fе + H 2 0 - 27800. Сравнение равновесных характеристик этих реакций и реакций восстановления оксидом углерода показывает, что при температурах выше 810 0 C водород является более сильным восстановителем, чем CO, а при меньших, чем 810 О С, температурах - более слабым, Т.е. при этих температурах у водорода меньше химическое сродство к кислороду, чем у CO. Вместе с тем опыт показал, что в доменной печи как при высоких (> 810 О С), так и при более низких температурах водород является более энергичным восстановителем, чем CO. Добавка водорода и повышение его концентрации в газовой фазе ведет к ускорению процесса восстановления и увеличению степени косвенного восстановления железа. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, благодаря малым массе и размерам молекул водорода они более подвижны, чем СО, быстрее диффундируют в поры агломерата и проникают в более мелкие поры и трещины, куда молекулы со проникнуть не могут, - все это заметно увеличивает поверхность взаимодействия. Во-вторых, известно, что молекулы Н 2 многократно участвуют в процессе восстановления. Эта особенность водорода как восстановителя связана с тем, что при температурах доменного процесса и наличии избытка углерода и СО водяные пары существовать в печи не могут. В зоне высоких температур (850-1000 0 С и более) пары Н 2 0 разлагаются углеродом: Н 2 О + С = Н 2 + СО; при температурах ниже 810 0 С идет реакция: Н 2 О + СО =Н 2 + С0 2 . Соответственно Н 2 О, образующаяся при реакциях восстановления водородом, тут же взаимодействует с углеродом кокса, либо с СО по приведенным выше реакциям и вновь переходит в водород. Этот образовавшийся водород вновь реагирует с оксидами железа и так несколько раз по мере подъема от горна до колошника. Иначе говоря, происходит регенерация водорода с его повторным участием в восстановлении. Сам же водород Н процессе восстановления является как бы промежуточным реагентом или переносчиком кислорода от оксидов железа к СО или углероду и в конечном счете к газовой фазе печи. При этом количество водорода в газовой фазе может не изменяться. В целом ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризовать следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900- 1000 О С, протекают процессы косвенного восстановления газом СО и отчасти водородом. В этой зоне косвенного восстановления все высшие оксиды железа успевают восстановиться до FеО, а часть FеО восстанавливается до железа, причем частицы восстановленного железа обнаруживаются уже в колошнике.

Вместе с тем, часть FеО восстанавливается до железа прямым путем в зоне высоких температур (> 900- 1000 0 C ). При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250 О С, когда сформировался шлак, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса.

Железо при восстановлении получается в твердом виде; частицы железа, восстановившиеся из материалов, находящихся в твердом виде, имеют форму губки. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью.

Степень восстановления железа составляет 0,99-0,998, а это означает, что 99-99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2-1,0 % переходит в шлак. 3.2. Особенности косвенного восстановления. Доменный процесс стараются вести так, чтобы обеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса. Наряду с рядом других факторов большое влияние на расход кокса оказывает степень развития прямого и косвенного восстановления.

Сравнивая эти способы восстановления, отмечают следующее.

Отрицательной стороной прямого восстановления является то, что оно протекает с затратой тепла; кроме того увеличение степени прямого восстановления приводит к снижению количества кокса, достигающего фурм и, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Реакции косвенного восстановления не требуют затрат тепла.

Однако косвенное восстановление требует значительно большего расхода углерода, чем прямое.

Причина в том, что для протекания реакций косвенного восстановления необходимо определенное соотношение между СО и СО 2 В газовой фазе.

Например, при 700 ос восстановление железа из FеО может начаться, если газ содержит около 60 % СО и 40 % СО 2 , Т.е. при C0 2 = 1,5. Следовательно, на один атом железа необходимо 2,5атома углерода (1,5 в виде СО и 1 в виде СО 2 ), полученных в результате сжигания кокса, в то время как по реакции прямого восстановления FеО+С = Fе+СО на один атом железа расходуется один атом углерода, вносимого коксом.

Должно существовать оптимальное с точки зрения расхода углерода соотношение между прямым и косвенным восстановлением. Для оценки доли прямого или косвенного восстановления используют ряд показателей.

Предложенный акад. М.А.Павловым показатель - степень прямого восстановления обозначается величиной d и показывает часть железа в процентах или долях единицы, восстановленного из FеО прямым путем. При этом, если прямым путем восстанавливается до Ре, то косвенным восстанавливается (100 - d) %. В настоящее время степень прямого восстановления на печах, работающих без применения природного газа или мазута, составляет 40-60 %, а на печах, в которых применяют углеводородные добавки, 20-40 %. Наивыгоднейшая степень прямого восстановления, при которой достигается минимальный расход кокса, меньше приведенных величин.

Фактические значения d обычно выше оптимальных, и поэтому необходимо принимать все меры для улучшения условий восстановления шихты газами, Т.е. для повышения степени косвенного восстановления (вдувание восстановительных газов, улучшение распределения газов в печи, подготовка шихты), что обеспечит снижение расхода кокса.

Степень прямого восстановления железа получается ниже у печей, работающих с пониженной температурой дутья и на более бедной шихте.

Однако эти факторы приводят к повышению расхода кокса. 3.3. Восстановление марганца и выплавка марганцовистыx чугунов При выплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составе агломерата и иногда в составе добавляемых небольших количеств марганцевых руд, а при выплавке ферромарганца в составе марганцевого, агломерата или марганцевых руд.

Марганец в рудах находится главным образом в виде МnО2, Мn20з и МnЭО4,а в агломерате в виде силикатов марганца МnО Si02. Восстановление марганца из оксидов протекает ступенчато от высших оксидов к низшим: МnО 2 -- Мn 2 О з -- Мn З О 4 -- МnО - Мn. Таким образом, для более полного восстановления марганца необходимы высокие температуры в горне, увеличение поступления тепла в горн и повышенная основность шлака.

Восстановительные условия доменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенный шихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления марганца составляет 55-65 %, остальная часть марганца остается в шлаке в виде МnО. Из сказанного следует, что содержание марганца в чугуне будет в первую очередь определяться его содержанием в шихтовых материалах. Еще в недавнее время выплавляли передельные чугуны с содержанием марганца 0,7-1,2 %, а десятилетия назад – с содержанием марганца до 11,75-3,5 %. Для получения столь высокого содержания марганца в чугуне требовалось вводить в доменную печь или в шихту агломерации марганцевую руду. В настоящее время в связи с дефицитностью марганца и марганцевых руд, а также в связи с тем, что при выплавке стали большая часть содержащегося в передельном чугуне марганца окисляется и безвозвратно теряется в виде МnО со сливаемым из сталеплавильных печей шлаком, стали: выплавлять мало марганцовистые чугуны. При этом в доменную шихту марганцевую руду, как правило, не добавляют, и чугун содержит столько марганца (от 0,1 до 0,3-0,5 %), сколько его восстановится из оксидов марганца, содержавшихся в железных рудах в качестве примесей.

Переход на выплавку мало марганцовистых чугунов позволил экономить не только марганец, но и кокс за счет уменьшения его расхода на прямое восстановление марганца и на проплавление пустой породы марганцевых руд. 3.4. Восстановление кремния и выплавка кремнистых чугунов.

Кремний присутствует в рудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате - в виде силикатов железа и кальция и силикатов промежуточного состава – оливинов СаО 2 FeO Si0 2 . Сродство кремния к кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем по следующей реакции: Si0 2 + 2С = Si + 2СО - 636760 Дж.

Точнее, эта реакция восстановления идет в две стадии с образованием промежуточного соединения - монооксида кремния SiO (последний является при высоких температурах): Si0 2 + С - SiO + СО -SiO + С - Si + СО Si0 2 + 2С = Si + 2СО. Термодинамический анализ показывает, что для протекания этой реакции в направлении слева направо нужна высокая температура - около 1500 0 C . Вместе с тем установлено, что в доменной печи кремний восстанавливается при более низкой температуре. Это связано с присутствием железа: с твердым железом кремний образует силицид FeSi, а в жидком он растворяется; эти процессы протекают с выделением тепла и выводят кремний из зоны реакции, способствуя сдвигу равновесия реакции восстановления вправо. Так, лабораторные опыты показали, что реакция восстановления твердого Si0 2 с участием железа Si0 2 + 2С + Ре= FeSi + 2СО получает заметное развитие при 1200-1300 0 С, а эта же реакция восстановления Si0 2 из шлака - при 1400-1550 0 С. В доменной печи при температурах 1200-1250 0 С уже сформирован жидкий шлак, и поэтому основная часть кремния восстанавливается прямым путем из Si0 2 , находящегося в шлаке при стекании капель шлака в горн между кусками кокса.

Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, являются высокая температура в районе горна, а также кислые шлаки, т.е. содержащие мало СаО, так как СаО связывает Si0 2 в силикаты, затрудняя восстановление Si0 2 . Поскольку В доменной печи основность шлака, определяемая основностью используемого флюсованного агломерата, является относительно постоянной, количество восстановленного кремния зависит прежде всего от температуры в горне и прилегающем к нему объеме печи. При выплавке передельного чугуна восстанавливается 2-8 % кремния шихты (остальной остается в шлаке в виде Si0 2 ), и чугун содержит от 0,5 до 1,0 и иногда до 1,2 % кремния.

Изменение содержания кремния в этих пределах в выпускаемом чугуне служит показателем теплового состояния горна; уменьшение содержания кремния в чугуне свидетельствует о снижении температур в горне; повышение температуры в горне и, соответственно, температуры чугуна вызывают увеличение содержания кремния в чугуне. 3.5. Выплавка литейного чугуна и ферросилиция.

Иногда в доменных печах выплавляют литейный чугун, содержащий 1,2-3,75 % кремния.

Перевод печи с выплавки передельного чугуна на выплавку литейного заключается в увеличении расхода кокса на 10-20 % по сравнению с обычным. После того как эти увеличенные порции кокса при движении сверху достигают фурм, температура в горне повышается, вызывая увеличение степени восстановления кремния из шихты, которая достигает 10-25 % (вместо 2-8 % при выплавке передельного чугуна). При этом выпускаемый чугун будет содержать повышенное количество кремния. Ранее в доменных печах выплавляли бедный ферросилиций, содержавший 9-15 % кремния; при этом расходовали 1-1,3 т кокса на 1 т сплава и 450 кг металлодобавок. В настоящее время в связи с не экономичностью и, в первую очередь, в связи с большим расходом кокса, эту выплавку прекратили. Более экономична выплавка ферросилиция, содержащего 45-75 % кремния, в ферросплавных электропечах. 3.6. Восстановление фосфора Фосфор поступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в виде фосфата 3СаО P 2 O 3 и иногда 3РеО + P 2 O 3 + 8H 2 O. Фосфат 3СаО P 2 O 3 интенсивно восстанавливается при температурах 1000-1200 ос и более с большой затратой тепла: 3СаО + P 2 O 3 + 5С = 2Р + 3СаО + 5СО - 1634000 Дж, причем часть его восстанавливается из шлака.

Фосфат железа менее прочен и восстанавливается 900-1000 0 C газом СО и частично углеродом, например: 2(3РеО + P 2 O 3 ) + 16СО = 3Fe 2 P + Р + 16CO 2 . Образующиеся при этих реакциях фосфор и фосфид Fe 2 P активно растворяются в железе, и практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственным способом получения чугуна с низким содержанием фосфора является использование чистых по фосфору рудных материалов.

Передельные чугуны содержат менее 0,15 - 0,30 % фосфора; иногда используют высокофосфористые железные руды, получая чугуны с содержанием фосфора 1,0- 2,0 %. 3.6. Восстановление других элементов.

Представление о возможности восстановления элементов, входящих в состав доменной шихты, может быть получено на основании термодинамических данных, характеризующих прочность их оксидов, т.е. величину их химического сродства к кислороду.

Элементы доменной шихты по возрастанию сродства к кислороду располагаются в следующем порядке: Сu, As, Ni, Ре, Р, Zn, Мn, Y, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Са.

Соответственно, степень восстановления элементов тем меньше, чем правее стоит элемент в приведенном ряду. Такие элементы как никель, медь, мышьяк, подобно железу и фосфору, почти целиком восстанавливаются в печи и переходят в чугун.

Ванадий и хром восстанавливаются аналогично марганцу соответственно на 70-80 и на 80-90 %, а титан - аналогично кремнию.

Степень восстановления титана ниже, чем кремния.

Алюминий, магний и кальций в доменной печи не восстанавливаются. Особо следует отметить поведение цинка. Он содержится в некоторых железных рудах, а также попадает в доменные печи в составе добавляемых в шихту железосодержащих отходов - конвертерных шламов, колошников и пыли и др. поступая в печь в основном в виде ZnO, он легко восстанавливается при температурах > 950 0 С: ZnO + С = Zn + СО и, испаряясь, поднимается с газами вверх. В зонах с умеренными температурами Zn вновь окисляется до ZnO, реагируя с CO 2 и оксидами железа. Часть ZnO (10-30%) уносится из печи доменным газом; часть в смеси с сажистым углеродом осаждается на стенках печи, образуя большие настыли; часть осаждается в швах и порах футеровки, вызывая увеличение ее объема и возможность разрыва кожуха печи; часть осаждается на кусках шихты, и опускается вниз, где вновь восстанавливается, создавая циркуляцию цинка в печи, способствуя его накоплению с увеличением вредных отложений. 4. Образование чугуна Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1535 0 С) выше температур, имеющихся в доменной печи; при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в виде твердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяет углерод (науглероживается). Этот процесс получает заметное развитие уже при температурах 400-600 0 С и заключается в том, что на поверхности губчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО (2СО = С +СО2) и выделяющийся сажистый углерод переходит в железо, образуя раствор Ре + С = [С]. По мере науглероживания температура плавления железа понижается (так температура плавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130 О С), а само оно опускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа становится равной температуре в печи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2-2,5 % и температуре около1200 О С) и образуются капли жидкого металла, которые стекают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно - при контакте капель с раскаленным коксом и при контакте расплава с коксом в горне, происходит растворение углерода кокса в металле. В движущиеся капли металла и отчасти в еще твердое железо в небольших количествах переходят на разных горизонтах печи другие восстановленные элементы (кремний, марганец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк, хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа с углеродом и другими элементами (чугун) скапливается в горне. Таким образом, формирование чугуна из твердого восстановленного железа заключается в его науглероживании, расплавлении и растворении в нем других восстановленных элементов (обычно это марганец, кремний, фосфор и сера). Окончательное содержание углерода в чугуне устанавливается в горне; оно не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава.

Марганец и хром, как карбидообразующие элементы, способствуют повышению содержания углерода в чугуне.

Кремний, фосфор и сера образуют с железом силициды, фосфиды и сульфиды, которые, являясь более прочными соединениями, чем карбид железа, разрушают его, способствуя тем самым снижению содержания углерода в чугуне.

Увеличение температуры чугуна вызывает повышение содержания углерода в нем.

Применительно к современной доменной плавке примерное содержание углерода в чугуне (%) можно определить по следующей формуле: С = 4,8 + 0,03Мо - 0,27Si - 0,32Р - 0,032S. В передельных чугунах содержание углерода обычно составляет 4,4-4,8 %, в литейном 3,5-4 %, в ферромарганце- 7 %. Температура чугуна в горне равна 1400-1500 О С. 5. Образование шлака и его свойства Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят не восстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, АI 2 О 3 , Si0 2 и небольшое количество МnО и FеО, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получения жидкого шлака.

Наведение в печи жидкого текучего шлака необходимо прежде всего для выведения из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а также золы кокса.

Основу пустой породы большинства руд так же, как и основу золы кокса, составляют Si0 2 и А1 2 О 3 , температура плавления которых (соответственно 1710 и 2050 0 С) выше температур в доменной печи, в связи с чем они в печи расплавиться не могут.

Поскольку доменная печь не приспособлена для удаления твердых продуктов плавки, необходимо перевести оксид Si0 2 и А1 2 О 3 в жидкую фазу, что достигается добавкой в шихту агломерации флюса известняка, вносящего оксид СаО, который, взаимодействуя с Si0 2 и А1 2 О 3 , образует легкоплавкие химические соединения.

Последние при температурах доменного процесса расплавляются, переводя пустую породу и золу кокса в жидкую фазу - шлак, который периодически выпускают через летки, освобождая печь от непрерывно поступающих сверху невосстанавливаемых оксидов.

Другой важной функцией, шлака является десульфурация. 5.1. Образование шлака.

Основными стадиями сложного процесса шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его состава, присоединение к нему золы кокса, формирование окончательного состава в горне. При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурами около 1000.-1100 0 С, где начинается пластичная зона. В верхних наружных слоях этой зоны происходит размягчение и переход в пластичное состояние железосодержащих материалов со слипанием отдельных кусков в : скопления; в толще зоны, где температура выше, начинается и протекает плавление, а ниже нее(где температуры составляют около 1200-1250 0 С) оксидная фаза и восстановленное железо находятся в расплавленном состоянии и твердым остается лишь кокс. Эта зона пластичности или зона первичного шлакообразования может быть разной по форме и толщине и располагаться на разной высоте в зависимости от распределения шихтовых материалов и газового потока по сечению печи, расхода кокса и теплового состояния горна и печи, расхода дутья, состава и прочности агломерата и его восстановимости и ряда других факторов.

Формирующаяся ниже зоны пластичности жидкая оксидная фаза - расплавленные пустая порода агломерата и окатышей и не восстановившиеся оксиды FeO и МnО - образует первичный шлак. По составу он отличается от конечного шлака в горне, в первую очередь более высоким содержанием FеО (до5-15 %) и МnО. Первичный шлак каплями стекает в горн через слой кокса ('коксовую осадку'), при этом изменяется его состав. В результате прямого восстановления железа и марганца в шлаке уменьшается содержание FеО и МnО, и он становится более тугоплавким. На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола кокса (в основном SiO 2 и Аl 2 О 3 ), Придвижении капель (особенно в горне) в шлак переходит сера. В районе горна в результате восстановления кремния несколько уменьшается количество SiO 2 в шлаке.

Конечный шлак на 85-95 % состоит из SiO 2 , Аl 2 О 3 и СаО и содержит, %: 38-42 SiO 2 , 38-48 СаО, 6-20 Аl 2 О 3 , 2-12 MgO, 0-26 РеО, 1-2 МnО и 0,6-2,5 серы (в основном в виде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400-1560 0 C . Состав шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают существенное влияние на ход доменной плавки и показатели работы печи.

Поскольку содержание AI 2 O 3 в доменных шлаках не превышает 20 %, практический интерес представляет часть диаграммы, примыкающая к стороне CaO-SiО 2 треугольника. Как видно из диаграммы, наиболее высокие температуры плавления у чистых оксидов (СаО и Si0 2 ), наиболее приемлемые (низкие) у шлаков, содержащих около 42-65 % СаО. Однако для выбора состава шлака недостаточно знать эти температуры, так как некоторые из сплавов становятся хорошо подвижными при температуре, значительно превышающей температуру плавления.

Например, самый легкоплавкий сплав - СаО AI 2 O 3 . 2Si0 2 , содержащий примерно 62 % Si0 2 , 14 % Al 2 O 3 и 24 % СаО, температура плавления которого равна 1170 0 C , приобретает хорошую текучесть лишь при нагреве до 1600 0 C . Поэтому необходимо учитывать данные о вязкости шлаков.

Вязкость - это внутреннее трение, препятствующее течению жидкости; она является величиной, обратной текучести.

Единицей вязкости является Па*с (1 Па*с = 1 Н *с/м 2 = 1 пуаз), Т.е. за единицу вязкости 1 Па*с принимают вязкость такой жидкости, в которой сила в 1 Н, приложенная к площади жидкости в 1 м 2 (т.е. 1 Па), находящейся на расстоянии 1 м от другой такой же площади, вызывает перемещение жидкости со скоростью 1 м/с.

Вязкость существенно понижается с ростом температуры. Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака должна составлять 0,3-0,6 Па*с.

Основность шлаков является их важной технологической характеристикой. Ее выражают величиной отношения содержания основных оксидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/Si0 2. 6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи. 6.1. Дутье.

Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом.

Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100-1300 0 С, давление перед фурмами достигает 0,4-0,5 МПа, расход дутья. На хорошо работающих печах составляет 1,6t-2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутью больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пределах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации находят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняется равный сход шихты и после превышения которого не нарушается, т.е. начинаются повисания шихты, а также возникают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м 3 расход дутья достигает 8500 м 3 /мин. . Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины. Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухопровод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм.

Выходной диаметр фурм составляет 140- 190 мм , весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300- 500 мм , скорость дутья на выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м 3 /мин. 6.2. Процессы в горне. В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы.

Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки.

Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и углеводородов природного газа или мазута.

Получающиеся горновые газы поднимаются :вверх навстречу опускающейся шихте.

Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает: а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи; б) образование газа-восстановителя СО; в) образование свободного объема вследствие превращения твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.

Окисление углерода кокса происходит в сравнительно небольших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами.

Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса перед фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взвешенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме части такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С0 2 ; в периферийной (углекислотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С0 2 , углерод окисляется, реагируя с С0 2 , образуя при этом СО. Участки исчезновения С0 2 представляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, конечным продуктом окисления углерода является СО, и процесс окисления идет по следующей схеме: С + 0 2 = С0 2 + 402190 С0 2 + С = 2СО - 166310 2С + 0 2 = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг *С. Изменение состава газа в окислительной зоне по мере отдаления от фурм Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7- 1,9 м . Продукт сгорания кокса - горновой газ состоит, в основном, из СО и N 2 . Его состав можно легко рассчитать. Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79 % N 2 (объемн.) и 21 % 02 (т.е. N 2 : 02 = 3,76), то реакцию можно записать так: 2С + 0 2 + 3,76N 2 = 2СО + 3,76N 2 . При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С0 2 , достигает 1900-2000 0 С, а на границе окислительной зоны снижается до 1650-1600 0 С вследствие протекания эндотермических реакций С0 2 + С = 2СО. За пределами окислительной зоны по мере отдаления от нее температура снижается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400-1500 0 С. Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги изменяют температурное состояние горна.

Увеличение количества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попадании в горн Н 2 О разлагается углеродом с поглощением тепла.

Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива. Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: HО + С = СО + Н 2 - 124870 Дж. Поэтому в горновом газе всегда есть немного водорода; например, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м 2 ) в горновом газе находится 0,8 % Н 2 и соответственно снижается содержание азота и оксида углерода. При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН 4 + 0,502 = СО + 2Н 2 + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н 2 (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых газов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н 2 ), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрастает в 1,7 раз.

Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа. При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и температур в горне.

Вдувание природного газа ведет к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответственно, к понижению ТТ и температур в горне; это снижение вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж). Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 0 С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов плавки и ухудшается десульфурация чугуна. Таким образом, добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температуры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, - увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обогащение водородом. Эти изменения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние на доменный процесс. 6.3 . Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления. Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, нагретый до высокой температуры и характеризующийся значительным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждается, при этом давление его вследствие преодоления сопротивления шихты понижается, а химический состав в результате процессов восстановления непрерывно изменяется и количество его увеличивается. Эти физические изменения приводят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 О С, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержания СО и Н 2 и повышению содержания СО 2 . Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно.

Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен печи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты.

Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломерата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО 2 в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам замеров температуры газа и содержания в нем СО 2 , производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до:7- 12 м от уровня засыпки.

Замеры ведут с помощью вводимых через отверстия в кожухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от периферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водоохлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи.

Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы косвенного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.

Крайне неблагоприятным случаем распределения газового потока является канальный ход газов (движение газов по отдельным каналам в слое шихты), при котором мелкие куски шихты в каналах переходят во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.

Важным показателем хода доменной плавки является отношение СО 2 /СО в газовой фазе; увеличение этого отношения(увеличение содержания СО 2 ) свидетельствует об улучшении восстановительной работы газа (увеличении степени косвенного восстановления оксидов железа). Изменение количества газа. По мере подъема газов вверх печи увеличивается их количество, главным образом, вследствие присоединения к ним кислорода шихты в виде СО и СО 2 , Т.е. в результате протекания процессов восстановления. По отношению к количеству дутья количество горнового газа возрастает на 21-23 %, а количество колошникового газа - на 38-40 %. При обогащении дутья кислородом расход дутья и количество газа будут уменьшаться вследствие снижения содержания азота. Выход колошникового газа равен 120- 200 м 3 на 1 м 3 объема печи в час или 1400-2000 м 3 /чугуна.

Изменение давления газа.

Наибольшее статическое давление газа устанавливается в горне доменной печи около фурм, и движение газов вверх через слой шихтовых материалов происходит вследствие этого давления, создаваемого работой подающей дутье воздуходувной машины. По мере движения газов от горна к колошнику статическое давление газа убывает, так как происходит потеря давления (потеря напора) вследствие трения газов о куски шихты; иначе говоря, давление теряется на преодоление сопротивления слоя шихтовых материалов. Эта потеря давления или напора происходит неравномерно по высоте печи, что наиболее заметно в области пластичной зоны, где в результате размягчения слипания и плавления газопроницаемость рудной части шихты резко снижается.

Величина потери давления в столбе шихты, иначе говоря, перепад давления между горном и колошником зависит от свойств шихты (газопроницаемости), высоты столба шихты, определяемой высотой печи, от скорости движения газов в печи.

Влияние скорости движения газов проявляется в том, что при ее росте увеличиваются силы трения газов о шихту и возрастает величина потери давления.

Величина, которую контролируют, не должна превышать допустимого предела, называемого критическим перепадом давления. Этот предел на конкретной работающей печи, где высота слоя шихты и ее свойства (сопротивление) относительно постоянны, зависит от расхода дутья, который всегда стараются увеличить с целью повышения производительности печи.

Увеличение расхода дутья ведет к росту скорости движения газов в печи, и при достижении определенной скорости силы трения возрастают настолько, что куски шихты переходят во взвешенное состояние, Т.е. перестают двигаться вниз, что нарушает ровный сход шихты и означает расстройство работы печи. Этим максимально допустимым значениям расхода дутья и скорости движения газов соответствует допустимый (критический) перепад давления.

Соответственно, расход дутья поддерживают таким, чтобы перепад давления не превышал критического значения.

Использование давления, а не скорости в качестве критерия оценки движения газов объясняется тем, что скорость подъема газов сильно различается в разных участках поперечного сечения печи, поэтому проще измерять давление. Для улучшения контроля за ходом плавки измеряют не только общий перепад давления между горном и колошником, но и верхний перепад (середина шахты колошник) и нижний (середина шахты - горн). 7. Интенсификация доменного процесса. Под интенсификацией доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форсированию хода доменной плавки), Т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса. Ниже охарактеризованы наиболее существенные из них. 7.1. Нагрев дутья.

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 0 С, впервые было применено в 1829 г ., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение.

Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 0 С. Еще в 40-х годах нашего столетия на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Всем ясно было, что более высокий нагрев дутья обеспечивает дальнейшее размельчение расхода кокса. Но даже подъем температуры дутья на небольшую величину (около 20 0 С) к расстройству доменного процесса.

Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся: замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами; применение повышенного давления газов в печи; вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов; кондиционирование дутья по влаге.

Внедрение этих мероприятий создало условия, при которых подъем температуры дутья перестал сдерживаться технологическими особенностями процесса, а определялся техническими возможностями достижения высокой температуры дутья. Это потребовало совершенствования конструкций и оборудования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100-1300 0 С и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до1350-1400 0 С. В частности, внедряют воздухонагреватели с выносной камерой горения, отличающиеся от широко используемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру горения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300-1400 0 С. Анализ работы доменных печей при разном нагреве дутья показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса.

Однако экономия расхода кокса не пропорционально повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на одно и то же число градусов, понижаясь с повышением нагрева дутья.

Например, при температуре дутья 400 0 С повышение его нагрева на 100 0 С дает снижение расхода кокса на 11-16 %, а при температуре дутья 800 0 С - на 3,5-6,0 %. Однако даже при высоком нагреве дутья (1200-1300 0 С) эффективность от нагрева сохраняется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на1,5-2,5% на каждые 100 0 С повышения температуры. Особо важно увеличивать нагрев дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызывающих понижение температур в горне. 7.2. Увлажнение дутья. Дутье (воздух) всегда содержит некоторое количество влаги, причем естественная влажность воздуха в разные периоды времени колеблется в широких пределах от 3 до 40 г на1 м 3 воздуха (8 г/м 3 соответствует 1 % по объему). Попадающая в горн влага разлагается углеродом: Н 2 О + С = СО + + Н 2 - 124870 Дж. При этом в горновом газе возрастает содержание СО и активного восстановителя Н 2 О в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим горна, надо повысить нагрев дутья на 5-6 0 С на каждый грамм влаги в 1 м 3 дутья.

Колебания влажности дутья вызывают колебания в температурном режиме горна и в ходе восстановления, что нередко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3-3,5 г/м 3 , а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25-30 г/м З (3-4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи; кроме того, вследствие ровного хода, а также в результате интенсификации косвенного восстановления оксидов железа водородом обеспечивается повышение производительности печи (на 5-10 %) и снижение расхода кокса (на 2-5 %). По мере перехода к работе печей с вдуванием природного газа, обогащающего атмосферу печи водородом, столь значительное увлажнение дутья утратило свое значение. В настоящее время считают полезным поддерживать содержание влаги на постоянном уровне порядка 10-20 г/м 3 за счет добавок к дутью водяного пара. 7.3. Повышенное давление газа. До 1950 г . отечественные доменные печи работали без повышенного давления газов, Т.е. с давлением газа на колошнике не значительно (на 0,006-0,012 МПа) превышавшем атмосферное давление (0,1 МПа). Это небольшое превышение давления обеспечивало самопроизвольный выход газов из печи. В настоящее время практически все печи работают с избыточным (сверх атмосферного) давлением на колошнике, равным 0,1-0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2-0,33 МПа (давление в горне выше давления на колошнике). О целесообразности повышения давления газов в доменной печи впервые высказался инж. П.М.Есманский еще в 1915 г . Он считал, что увеличение давления газа в печи должно способствовать развитию процессов восстановления, так как при этом реакция СО 2 +С = 2СО сдвигается в сторону увеличения содержания СО 2 , т.е. в сторону косвенного восстановления.

Однако более важным оказалось то, что повышенное давление позволило увеличить расход дутья и благодаря этому повысить производительность печей.

Работа доменных печей с повышенным давлением газов была освоена на Магнитогорском металлургическом комбинате в 1950 г ., после чего печи всех заводов были переведены на такой режим.

Повышение давления газов достигается установкой на газопроводе очищенного доменного газа специального дроссельного устройства, уменьшающего сечение газоотвода. Такое уменьшение сечения вызывает рост давления на всем пути движения газа до дроссельного устройства и в том числе на колошнике и в объеме всей печи.

Дроссельное устройство располагают после газоочистки (устройств, очищающих газ от пыли); чтобы предотвратить его быстрый абразивный износ частицами пыли газа. Чем вызвано повышение производительности печи при повышении давления газов? Поясняя это, следует напомнить, что доменные печи обычно работают с расходом дутья, близким к предельно допустимому. При его превышении вследствие роста скорости. движения газов в печи и их трения шихты переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты, а показателем режима движения газов - перепад давления между горном и колошником (потеря давления на трение) становится больше критического. Если увеличить давление в печи, то в силу известного соотношения между давлением и объемом газа РV = const объем газа уменьшается.

Поэтому снижается скорость движения газов В печи и, соответственно, уменьшаются силы трения их о шихту, величина потери давления на трение. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от критического. Это позволяет при новом, большем давлении в печи увеличить расход дутья без нарушения при этом ровного схода шихты (расход можно увеличивать до тех пор, пока перепад давления не приблизится к прежнему ypoвню несколько ниже критического). При увеличении расхода дутья в единицу времени сгорает больше кокса и проплавляется больше шихты, т.е. повышается производительность печи. Таким образом, повышение давления газа в печи позволяет форсировать доменный процесс. Кроме того, вследствие увеличения времени пребывания газа в печи и улучшения распределения его сокращается расход кокса, а уменьшение скорости газа на колошнике приводит к снижению выноса пыли. Это позволило увеличить производительность печей на 5-15 %, снизить расход кокса на 3-5 % и сократить вынос пыли на 20-50 %, более 24-26 %, а в сочетании с вдуванием углеводородов до 30-35 %. Такое ограничение содержания кислорода в обогащенном дутье объясняется тем, что его применение сопровождается как положительными, так и отрицательными последствиями для доменного процесса.

Вдувание в горн углеродсодержащих веществ с целью снижения расхода дорогого и дефицитного кокса в последние годы на всех печах в горн вдувают газообразные или жидкие углеводороды и иногда измельченный уголь. Их подают через фурмы в зоны горения кокса.

Наиболее широко применяется природный газ.

Вдувание природного газа. При попадании в горн природного газа, основу которого составляет метан СН 4 , происходит неполное сгорание метана с образованием СО и Н 2 : СН 4 + 0,502 = СО + 2Н 2 + 37250 Дж. При этом, помимо экономии кокса как топлива (замены части кокса природным газом), обеспечивается значительное повышение степени косвенного восстановления за счет участия в нем образующегося водорода, содержание которого в горновом газе возрастает до 8-15 % и более. Это увеличение доли косвенного восстановления и снижение тем самым доли прямого также ведет к снижению расхода кокса.

Положительным является также то, что благодаря снижению расхода кокса уменьшается количество серы, вносимой коксом, и уменьшается выход шлака в связи с уменьшением количества поступающей в печь золы кокса.

Вместе с тем, вдувание природного газа отрицательно влияет на тепловые и газодинамические условия работы печи. Дело в том, что при попадании природного газа в горни его неполном сгорании увеличивается объем горновых газов (продуктов сгорания) и снижается температура в зоне горения и в горне. Для поддержания прежнего нормального теплового состояния горна при вдувании природного газа увеличивают, если это возможно, температуру дутья с учетом того, что добавка 1 м 3 газа на 1 т чугуна требует повышения температуры дутья на 4 0 С; уменьшают также влажность дутья, что ведет к росту температур в горне.

Увеличение объема горновых газов вызывает рост скорости движения газов в печи и, соответственно, величины перепада давления между горном и колошником.

Поэтому после повышения расхода природного газа до определенного уровня начинаются нарушения ровного схода шихты. Если печь работала на предельном количестве дутья, то, начиная вдувание природного газа, снижают расход дутья с целью сохранения условий нормального опускания шихты. Таким образом, нарушение газодинамических условий в печи и снижение температуры горна ограничивают количество вдуваемого природного газа.

Лучшим способом преодоления отрицательных последствий применения природного газа является добавка к дутью кислорода. При расходе природного газа в количестве 60-90 м 3 /т чугуна (3,5-4 % от объема дутья) экономия кокса составляет 8-14 % и более.

Коэффициент замены кокса природным газом, т.е. отношение количества выведенного из шихты кокса (кг/т чугуна) к количеству использованного природного газа (м 3 /т чугуна) составляет 0,7-1,0 кг/м 3 . 8. Продукты доменной плавки.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, и доменный газ. Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ - побочными. Виды, состав и назначение доменных чугyнов. Цель доменного производства состоит в получении чугуна, представляющего собой много компонентный сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк.

Содержание основных элементов (С, Si, Мn, Р, S, Cr, Ni, Cu, As) в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки.

Сообразно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки. Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида: передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь; литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий; доменные ферросплавы - в основном ферромарганец, используемый в сталеплавильном производстве в качестве добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около90 % общего производства чугуна. Он используется в качестве шихтового материала при производстве стали в конвертерах, мартеновских и электродуговых печах.

Передельный чугун в соответствии с существующими стандартами может содержать 0,3-1,2 % Si, 0,15-1,0 (иногда до 1,5 %) Мn и делится на три класса по содержанию фосфора (не более0,1; 0,2 и 0,3 %) и на пять категорий по содержанию серы(не более 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 %). С целью экономии дефицитного марганца в настоящее время, выплавляют маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,1-0,5 %. В небольших количествах выплавляют высококачественный передельный чугун, маркируемый буквами ПВК, что означает передельный высококачественный коксовый. Он отличается от обычного передельного пониженным содержанием фосфора ( Содержание углерода в передельном чугуне стандартами не нормируется, поскольку оно определяется содержанием других элементов; его можно приближенно определить по формуле: С = 4,8 + 0,03 Мn - 0,27 Si - 0,32 Р - 0,032 S, где Мn, Si, Р и S - соответственно содержание в чугуне марганца, кремния, фосфора и серы. В малофосфористых ( 0,3 % Р) чугунах обычно содержится 4,0-4,8 % углерода.

Литейный чугун отличается от передельного повышенным содержанием кремния и в некоторых марках - фосфора. Шесть марок литейного чугуна (Л1-Л6) содержат от 1,2-1,6 до 3,2-3,6 % Si и от 0,3 до 0,9-1,5,% Мn; каждую марку делят на четыре категории по содержанию серы (0,02-0,05 %) и на пять классов по содержанию фосфора (соответственно Основными составляющими шлака являются оксиды кремния (Si0 2 ), кальция (СаО), алюминия (АI 2 О з ). магния (MgO), а также небольшое количество НеО, МnO, CaS. В шлаках обычно содержится 6-20 % глинозема (A1 2 0 3 , 38-42 % кремнезема (Si0 2 ), 38-48 % известно (СаО), 2-12 % магнезии (MgO); 0,2-0,6 % FеО; 0,1-2 % МnO и 0,6-2,5 % серы, в основном, в виде CaS. При этом шлаки характеризуются следующими значениями основности: СаО: Si0 2 = 0,9+1,3; (СаО + MgO): :Si0 2 = 1,05+1,45 и (Са О + MgO):(Si0 2 + Al 2 0 3 = 0,7+1,2. Ocновную часть (> 90-95 %) доменного шлака перерабатывают, получая сырье для производства различных строительных материалов.

Доменный (колошниковый) газ. Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть - колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН., N 2 , СО 2 и N 2 . После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используют как топливо для нагрева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, коксовых батарей, отопления котлов и других целей. Горючими компонентами в газе являются СО, N 2 и СH.. Зная энтальпию химических реакций, горения этих компонентов, можно подсчитан., что при полном сгорании каждого процента оксида углерода теплота сгорания 1 м З газа повышается на126 кДж, а каждого процента водорода и метана соответственно на 108 и 263 кДж. При выплавке передельного чугуна на атмосферном дутье (без вдувания природного газа) в газе содержится 12-18 % СО 2 ; 24-30 % СО; 0,2-0,5 % СH.; 1,0-2,0 % N 2 и 55-59 % N 2 и теплота сгорания газа составляет 3500-4000 кДж/м З . При применении комбинированного дутья снижается содержание азота и соответственно возрастает количество других составляющих газа, особенно водорода.

Например, при обогащении дутья кислородом до24-30 % и соответствующей подаче природного газа содержание оксида углерода составляет 22-27 %, диоксида углерода15-22 %, водорода 8-11 % и азота 43-55 %. Теплота сгорания такого газа равна 4200-5000 кДж/мЗ. 9. Управление процессом, контроль, автоматизация.

Управление ходом доменной плавки сводится к контролю основных пара метров технологического режима и при их отклонении от заданных значений - к выработке и осуществлению регулирующих воздействий, ведущих к ликвидации этих отклонений и нарушений. В процессе управления работой печи приходится изменять температуру и количество дутья, количество подаваемого природного газа, соотношение между железорудными материалами и коксом, расход флюса, параметры загрузки шихты.

Различают регулирование хода доменной печи сверху (изменение системы загрузки, величины подачи, уровня засыпи и т.п.) и регулирование снизу (изменение параметров комбинированного дутья). Часть управляющих и регулирующих воздействий осуществляется персоналом вручную, а часть с помощью автоматизированных регулирующих или управляющих систем. При ручном управлении и регулировании правильность принятых решений зависит от квалификации и опыта мастера-технолога, при автоматизированном - от того, насколько заложенная в ЭВМ математическая модель адекватно отражает сложные взаимозависимости параметров доменного процесса и от надежности показаний контрольных приборов.

Старые печи наряду с ручным управлением оборудованы системой автоматизированного управления работой загрузочных устройств по заданному режиму и рядом локальных систем автоматического регулирования и стабилизации отдельных параметров процесса.

Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам). Современные доменные печи оборудуют автоматизированными системами управления (АСУ ТП), обеспечивающими величину уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных ,случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько(три-четыре) уровней автоматизации.

Первый иерархический Работа доменной печи регламентируется теологическим режимом, основными составляющими которого являются: дутьевой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой режим, причем эти параметры тесно взаимно связаны.

Технологический режим, вырабатываемый на основании обобщения многолетнего опыта работы печей, зависит от условий плавки конкретного цеха и отдельной доменной печи.

Основой для соблюдения технологического режима и выработки регулирующих и управляющих воздействий на процесс служат показания контроль но-измерительных устройств, значительная часть которых работает в автоматическом режиме. На современных доменных печах контролируют до 170 параметров, характеризующих технологический режим, состояние печи и вспомогательного оборудования.

Контролируемыми параметрами являются: состав и свойства шихтовых материалов, жидкого чугуна и шлака; параметры дутья и колошникового газа (состав, давление, расход, температура и др.); распределение температур и состава газа по сечению и высоте печи; параметры загрузки (масса и количество порций в подаче и порядок их загрузки, работа конусов или лотковых загрузочных устройств, уровень и профиль засыпи, скорость схода шихты и др.); статическое давление в печи высоте и перепады давления; вынос колошниковой пыли; температура кладки шахты, горна и лещади; работа холодильников; боковое давление шихты в печи; параметры работы воздухонагревателей и воздуходувных машин и др.

Наряду с давно применяемыми обычными приборами и датчиками контроля (термопары, расходомеры, манометры и т.п.) внедряют новые специальные приборы и устройства: горизонтальные зонды, перемещаемые ниже уровня за сыпи для контроля здесь состава и температуры газов; стационарные зонды-балки для контроля тех же параметров выше уровня засыпи; лазерные, микроволновые, гамма и рентгеноимпульсные профиле меры для измерения профиля засыпи; микроволновые и радиометрические уровнемеры засыпи; устройства непрерывного контроля параметров жидких продуктов плавки в горне; встроенные в фурмы термодатчики; вертикально перемещаемые в слое шихты зонды и другие устройства для контроля уровня зоны плавления шихты в печи; автоматические рентгеноспектраль уровне включает средства автоматического контроля, измерения и диагностики входных, технологических и выходных параметров доменной плавки и работы оборудования печи; второй уровень локальные подсистемы стабилизации и регулирования отдельных параметров процесса и работы оборудования (давления под колошником, параметров дутья, параметров работы воздухонагревателей и др.); третий уровеньподсистемы управления отдельными технологическими процессами и агрегатами (такими процессами как шихтовка и загрузка, подготовка и подача дутья в печь, распределение газового потока, тепловой режим и др.). На высшем уровне, который пока не реализован, АСУ должна оптимизировать и согласовывать работу всех подсистем в соответствии с плановыми заданиями.

Помимо функций контроля, регулирования и управления процессами и агрегатами АСУ обеспечивает в центральном пункте управления печью непрерывное представление значений технологических параметров в цифровой форме, путем световой индикации и в виде графиков на диаграммных самопишущих приборах и на экранах дисплеев, а также световую и звуковую сигнализацию нарушений нормального технологического режима и работы оборудования.

Обеспечивается также заполнение отчетных документов.

Заключение Таким образом старые печи наряду с ручным управлением оборудованы системой автоматизированного управления работой загрузочных устройств по заданному режиму и рядом локальных систем автоматического регулирования и стабилизации отдельных параметров процесса.

Обычно это стабилизация давления под колошником, управление работой воздухонагревателей, стабилизация параметров комбинированного дутья (расход дутья, его температура, содержание кислорода в дутье, Соотношение расходов природного газа и воздуха с учетом концентрации кислорода в дутье, распределение природного газа по фурмам). Современные доменные печи оборудуют автоматизированными системами управления, обеспечивающими величину уровня автоматизации управления доменным процессом до 70 и в отдельных случаях до 90 %. Такие АСУ ТП выполняют в виде иерархической системы, включающей несколько (три-четыре) уровней автоматизации.

Работа доменной печи регламентируется теологическим режимом, основными составляющими которого являются: дутьевой режим, режим загрузки, шлаковый режим и тепловой режим, причем эти параметры тесно взаимно связаны.

Конституционное (государственное) право России

Маркетинг, товароведение, реклама

Психология, Общение, Человек

Менеджмент (Теория управления и организации)

Экономическая теория, политэкономия, макроэкономика

Педагогика

Юридическая психология

Бухгалтерский учет

Искусство

Банковское дело и кредитование

Уголовный процесс

Микроэкономика, экономика предприятия, предпринимательство

Экономика и Финансы

Политология, Политистория

Программное обеспечение

Социология

История

Литература, Лингвистика

Уголовное право

Международные экономические и валютно-кредитные отношения

Техника

Материаловедение

Религия

Культурология

Физика

Физкультура и Спорт

География, Экономическая география

Философия

Программирование, Базы данных

Экскурсии и туризм

Компьютерные сети

Сельское хозяйство

Гражданская оборона

Теория государства и права

Геология

Медицина

Биология

Нероссийское законодательство

Разное

Экономико-математическое моделирование

Химия

Охрана природы, Экология, Природопользование

Технология

Астрономия

Металлургия

Земельное право

Ветеринария

Транспорт

Математика

Военное дело

Конституционное (государственное) право зарубежных стран

Компьютеры и периферийные устройства

Военная кафедра

История отечественного государства и права

Муниципальное право России

Налоговое право

Таможенное право

Геодезия, геология

Право

Москвоведение

История экономических учений

Государственное регулирование, Таможня, Налоги

Банковское право

Музыка

Компьютеры, Программирование

Международное право

Семейное право

Радиоэлектроника

Финансовое право

Биржевое дело

Архитектура

История государства и права зарубежных стран

Историческая личность

Российское предпринимательское право

Гражданское право

Правоохранительные органы

Ценные бумаги

Криминалистика и криминология

Гражданское процессуальное право

Трудовое право

Административное право

Страховое право

Геодезия

Экологическое право

Пищевые продукты

Здоровье

История политических и правовых учений

Подобные работы

Электрометаллургия. Устройства печей

echo "Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющ

Металлургия титана

echo "Важнейшие минералы титана в основном входят в состав пяти характерных групп – рутила, ильменита, перовскита, ниоботанталотитанатов и сфена, из которых наибольшее значение имеют группы рутила и и

Химико-термическая обработка стали

echo "Скорость диффузии атомов насыщающего элемента в решетку железа неодинакова. При насыщении углеродом или азотом, образующим с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем п

Сплавы на базе меди

echo "Величина коэффициента трения практически одинакова у всех медных сплавов, тогда как механические свойства и износостойкость, а также поведение в условиях коррозии зависят от состава сплавов , a

Доменный процесс

echo "Основным топливом доменной плавки является кокс – кусковой пористый материал из спекшийся углеродистой массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Доменный процесс с