Производство чугуна в доменной печи

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

    Введение                                                                                                             - 3

1. Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике. - 4

2. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов. - 6

3. Процессы восстановления. - 7

4. Образование чугуна. - 13

5. Образование шлака и его свойства. - 14

6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи. - 16

7. Интенсификация доменного процесса. - 21

8. Продукты доменной плавки. - 24

9. Управление процессом, контроль, автоматизация. - 26

    Заключение - 29

    Список литературы - 30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                               
 

Введение 

   Главным процессом производства стали и чугуна в настоящее время является доменный процесс, а наиважнейшим компонентом этого процесса является доменная печь.

   Доменная печь является мощным и высоко производительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья.

   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 H1 до H3 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 (50-80м3) 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 СО2 в газах и низкая температура указывают на полноту химических и теплообменных процессов в печи. Для интенсивной и экономичной работы печи желательно, чтобы содержание СО2 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. 

  1. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов.
 
    1. 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 0С 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. 

    1. 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 Fе2Оз (в буром железняке) или с Аl2Оз (в каолинитах АI2Оз, 2Si02 . . 2Н2О). Эти соединения разлагаются при 400-1000 0С 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 СаСО3 (иногда он содержит немного СаСО3 МgСО3), с карбонатной железной рудой(FеСО3) и марганцевой рудой (МnСО3). При нагреве карбонаты разлагаются на СО2 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 0С идет реакция СО2 + 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 Fе2О. и немного Fе2О3 и FeO, окатыши – Fе2О3 иFе2О. и железная руда, если ее применяют, - Fе2О3 иFе2О, 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:

                    Fе2О3 – Fе2О - FeO - Fe.

Поскольку при температурах ниже 570 0С оксид FeO неустойчив и разлагается (на Fе2О и Fe), схема восстановления при температурах ниже 570 0С следующая:

                                      Fе2О3 – Fе2О - 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 0С:

1) 3Fе2О3 + СО = 2Fе2О. + CO2 + 53 740;

2) Fе2О + СО = 3FeO + CO2 + 36680;

3) FeO + СО = Fe + CO2 + 16060;

при температуре < 570 0С

      1) 3Fе2О3 + СО = 2Fе2О. + CO2 + 53740;

2) 1/4Fе2О. + СО = 3/4Fe + CO2 + 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 + CO2,      CO2 + 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:

          3Fе2О3 + Н2. = 2Fе3О4 + Н2О - 4200;

        Fе3О4 + Н2 = 3FеО + H2O - 62410; FеО + Н2 = Fе + H20 - 27800.

      Сравнение равновесных характеристик этих реакций и реакций восстановления оксидом углерода показывает, что при температурах выше 810 0C водород является более сильным восстановителем, чем CO, а при меньших, чем 810 ОС, 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 ОС), 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 Н2 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 0С и более) пары Н20 разлагаются углеродом: Н2О + С = Н2 + СО; при температурах ниже 8100С идет реакция: Н2О + СО =Н2+ С02. Соответственно Н2О, 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 ОС, 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 (> 900-10000C). При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250 ОС, 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. 

    1. 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 СО2 В газовой фазе. Например, при 700 ос восстановление железа из FеО может начаться, если газ содержит около 60 % СО и 40 % СО2, Т.е. при C02 = 1,5. Следовательно, на один атом железа необходимо 2,5атома углерода (1,5 в виде СО и 1 в виде СО2), 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. 

    1. 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:

      МnО2 -- Мn2Оз -- МnЗО4 -- 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. 

Производство чугуна в доменной печи