Доменне виробництво: технологічні процеси виробництва

Міністерство освіти і  науки, молоді та спорту України

Вінницький державний  педагогічний університет

 ім. М.Коцюбинського

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Доменне виробництво: технологічні процеси виробництва»

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконала студентка

3 курсу групи «А»

Шапальчук Наталія

 

 

 

 

 

Вінниця 2012

Вступ

Головним процесом виробництва  сталі і чавуну в даний час  є доменний процес, а найважливішим  компонентом цього процесу є  доменна піч.   

 Доменна піч є потужним  і високо продуктивним агрегатом,  у якому витрачається величезна  кількість шихти і дуття.   

 Основним паливом доменної  плавки є кокс - кусковий пористий  матеріал з спечений вуглецевої  маси, що виходить при прожарюванні  кам'яного вугілля без доступу  повітря.   

 Доменний процес намагаються вести так, щоб забезпечувалися мінімальні витрати дефіцитного і дорогого коксу.

Чавун був відомий за 4-6 століття до н.е. Доменне виробництво  виникло в результаті розвитку сиродутного  процесу — «прямого» здобуття заліза в тому, що твердому складається  безпосередньо із залізняку шляхом відновлення її в низьких горнах або шахтних печах (домниці) за допомогою  деревного вугілля. Перші доменні  печі в Європі з'явилися в середині 14 ст, а в Росії — близько 1630р., поблизу Тули і Кашири. На Уралі  перший чавун отриманий в 1701р., а  в середині 18 ст. завдяки розвитку уральської металургії Росія вийшла на 1-е місце в світі, яке утримувала до початку 19ст. До середини 18 ст. єдине  паливо в доменному виробництві  — деревне вугілля. У 1735р. А. Дербі  застосував в доменній плавці кам'яно-вугільний  кокс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Історія доменного виробництва

Техніка і технологія доменного  виробництва, починаючи з його виникнення, безперервно удосконалюються під  впливом постійно зростаючої потреби  в металі й прагнення скоротити  витрати на його виробництво. Відповідно розвивалися і методи підготовки до плавки сировини і палива. Основні  риси сучасної доменної плавки були сформовані до кінця ХІХ століття. До того часу в більшості розвинутих країн  завершився перехід на мінеральне паливо – кокс, а конструкція доменної печі знайшла форми, принципово не відмінні від нинішніх.

Подальша еволюція доменної плавки йшла шляхом укрупнення агрегатів, підвищення їхньої продуктивності за рахунок інтенсифікації процесів при  одночасному зниженні питомої витрати  коксу і витрат праці на виробництво  одиниці чавуну.

 

Доменне виробництво

До́менне виробни́цтво —  перша ланка технологічного циклу  металургійного заводу, його мета —  виплавка чавуну.

Доменне виробництво складається  з таких основних процесів:

• підготовка і подача шихти,
• плавка
• видалення продуктів плавки.

Основними компонентами шихти  для доменної плавки є залізорудні матеріали - обкотиші, агломерат, залізна руда, що містять магнетит, гематит, лімоніт, сидерит; вторинні метали і відходи (металобрухт, мартенівські і зварювальні шлаки); розкиснювачі і флюси (марганцева руда, вапняк), паливо (кокс, природний газ).

Переробка бідних руд нерентабельна, тому однією з операцій їх підготовки перед доменною плавкою є збагачення. Крім того, компоненти шихти піддають контролю за крупністю. Крупні грудки руди відновлюються дуже повільно і  знижують продуктивність доменної печі, дрібна і пилоподібна руда виноситься газовими потоками з печі. Тому крупні грудки дроблять до крупності 25-80 мм, а дріб'язок направляють на агломерацію або обкатування.

Виплавка чавуну — пірометалургійний  процес, що відбувається в доменній печі при високих температурах (до 1900 °C) з використанням коксу.

Кокс при доменній плавці є не тільки паливом, але й реагентом, що безпосередньо бере участь в технологічному процесі. Якість коксу, що використовується, характеризується його теплотворною здатністю, вмістом сірки, зольністю, міцністю і твердістю при високих температурах. Крім коксу в доменному виробництві  використовується природний газ, який характеризується більшою теплотворною здатністю, меншим вмістом шкідливих  домішок (в тому числі сірки) і  меншою вартістю. Однак застосування природного газу в доменній печі обмежене.

Пониження температури плавлення  пустої породи і полегшення відділення її від металу досягається застосуванням  флюсів. В доменному виробництві флюсом частіше всього служить вапняк. При плавленні флюс утворює з пустою породою і золою коксу легкоплавкий рідкий шлак, який легко видаляється з доменної печі. Крім того, флюси сприяють відділенню шкідливих домішок від металу. Головний агрегат доменного виробництва — доменна піч (рис1).

Рис. 1

За будовою доменна  піч — шахтна. Вона складається  зі сталевого кожуха футерованого всередині  вогнетривкою цеглою. Внутрішній обрис  робочого простору печі являє собою  поєднання циліндрів і зрізаних конусів. Верхня циліндрична частина  — колошник, від неї йде найбільша  частина — шахта, яка переходить у найбільш широку частину — розпар, нижче розташовані заплечики  і горн. Такий профіль печі забезпечує плавне опускання шихти униз і  добрий її контакт з пічними газами. У верхній частині горну розташовані  фурми, через які при роботі печі вдувається нагріте повітря. На рівні  поду (дна) горну є льотки для випуску  чавуну, а вище на протилежному боці сторони — льотки для випуску  шлаку. Завантаження шихти здійснюється через засипний агрегат, який перешкоджає  виходу газів в атмосферу при  завалці шихти. Вивід доменного  газу в газоочисники виконується  через два пристрої газовідведення. Очищений газ використовується для підігріву повітря до 800 — 1200 °C перед подачею його в доменну піч.

Доменна піч працює за принципом  протитоку. При нормальному режимі роботи доменної печі (завантажена  рудою, коксом, флюсами) в ній відбуваються такі процеси.

Під дією гарячого повітря, що вдувається в доменну піч, протікає згоряння коксу з утворенням двооксиду  вуглецю (СО2), який при контакті з  розпеченим коксом при температурі 1800—1900 °C перетворюється в оксид  вуглецю (СО):

C + O2 → CO2 → 2 CO.

Оксид вуглецю (СО) при проходженні  через шар шихти відновлює  залізо з рудних оксидів, також відновлення  заліза відбувається при контакті руди з розпеченим коксом:

3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2,

2 Fe3O4 + 2 CO → 6 FeO + 2 CO2,

6 FeO + 6 CO → 6 Fe + 6 CO2,

FeO + C → Fe + CO.

Залізо, що утворилося при  відновленні руди, знаходиться в  твердому стані у вигляді губчатої маси; при контакті з оксидом вуглецю  і розпеченим коксом залізо насичується  вуглецем з утворенням цементиту (Fe3C):

3 Fe + 2 CO → Fe3C + 2 CO2,

3 Fe + C → Fe3C.

Внаслідок навуглецювання температура  плавлення заліза знижується, воно швидко переходить у рідкий стан і  краплями стікає в горн доменної печі. При переміщенні капель металу відбувається додаткове насичення заліза вуглецем і вміст його в металі збільшується. Таким чином, в доменній печі неможливо  одержати залізо без розчиненого  в ньому вуглецю, а продуктом  доменної плавки завжди буде залізовуглецевий сплав — чавун.

Паралельно в доменній печі відбувається відновлення оксидів, що містяться в шихті: марганцю, силіцію, фосфору (за схемою):

MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO →  Mn.

Відновлений марганець переходить в чавун сприяє хімічному сполученню заліза і вуглецю з утворенням цементиту (Fe3C). Крім того, марганець  має більшу спорідненість з сіркою і звільняє чавун від цієї шкідливої  домішки:

FeS + Mn → MnS + Fe.

Утворений в результаті цього  сульфід марганцю не розчиняється в  залізі і легко переходить у шлак. Пуста порода, зола коксу, флюс обов'язково містять кремнезем (SiO2), який під  час плавки також відновлюється  і переходить в чавун:

SiO2 + 2 °C → Si + 2 CO.

Наявність в чавуні силіцію  перешкоджає утворенню цементиту, але сприяє виділенню вуглецю  у вигляді графіту, що дає можливість одержувати чавуни, які добре піддаються механічній обробці. Фосфор (шкідлива домішка), що міститься в деяких рудах, також відновлюється вуглецем в  присутності кремнезему і переходить до чавуну:

P2O5(CaO)4 + 5 °C + 2 SiO2 → 2 P + 2 (CaO)2SiO2 + 5 CO.

Невелика кількість сірки (шкідлива домішка), що міститься в  залізній руді і коксі, при плавці вигорає, але основна частина  переходить у чавун. Для видалення  сірки необхідна висока температура  і надлишок вільного вапна, яке зв'язує сірку в нерозчинний в залізі сульфід кальцію (CaS) і переводить її у шлак:

FeS + CaO + C → Fe + CaS = CO.

Крім описаних процесів в  доменній печі відбувається плавлення  пустої породи і шлакоутворення. Пуста  порода і зола коксу складаються  в основному з кремнезему (SiO2) і глинозему (Al2O3), які мають високу температуру плавлення. Зниження температури  плавлення і утворення рідкого  шлаку досягається введенням  в шихту флюсу — вапняку.

Після закінчення процесу  плавлення чавун і шлак випускають з доменної печі, чавун — 6-8 раз  за добу, шлак в два рази частіше. Основний продукт доменного виробництва — чавун — сплав заліза з вуглецем і рядом інших елементів (Si, Mn, S, P). Вміст вуглецю в чавуні становить 2 — 6,5 %. За хімічним складом і призначенням розрізняють три сорти чавуну:

• переробні чавуни використовуються для подальшої переробки на сталь. В них підвищений вміст марганцю (0,6 — 2,5 %), вуглець знаходиться у вигляді цементиту, що придає йому високу твердість. Залежно від способу переробки такі чавуни розрізняють на мартенівські (виплавляються з шихти з підвищеним вмістом марганцю), бесемерівські (виплавляються з руд з малим вмістом сірки і фосфору), томасівські (виплавляються з руд з підвищеним вмістом фосфору);
• ливарні чавуни отримують з шихти зі значним вмістом кремнезему (до 4,25 %), що сприяє виділенню з них вуглецю у вигляді графіту і надає їм текучості і легкоплавкості. Вони добре заповнюють ливарні форми і добре піддаються механічній обробці;
• спеціальні чавуни (феросплави) застосовуються для розкиснення і легування сталей. Найбільше застосування знайшли феросиліцій (вміст силіцію більше 13 %), феромарганець (вміст марганцю до 75 %), дзеркальний чавун (вміст марганцю 10 — 25 %).

Крім чавуну при доменній плавці одержують:

• шлак являє собою сплав пустої породи, флюсу і золи коксу; використовується для виготовлення цементу, шлакоблоків, шлаковати і ін.;
• доменний газ містить 28 % СО і має теплотворну здатність 3,8 МДж/м3; використовується в мартенівських печах, повітронагрівачах, котельних установках;
• колошниковий пил — дрібні частинки руди, що виносяться газами з печі. Колошниковий пил містить до 45 % заліза, тому він вловлюється і направляється на агломерацію.

Основні види чавуну, що виплавляється  в доменних печах: передільний чавун  використовуваний для виробництва сталі в сталепланих агрегатах; літейний, йде для чавунних відливань; спеціальні чавуни. Побічні продукти: доменний газ [теплота згорання 3,6—4,6 Мдж/м 3 (850—1100 ккал/м 3 )] після очищення від пилу використовується для нагріву дуття у повітронагрівачах, а також в заводських котельних установках, коксохімічних, агломераційних і деяких ін. цехах; доменний шлак знаходить вживання головним чином в промисловості будівельних матеріалів; колошниковий пил, що виноситься з печі і уловлювана системою газоочистки, містить 30—50% Fe, повертається в шихту доменних печей після її попереднього кускування.

 Доменний цех ( Рис. 2 ) заводу з повним металургійним циклом має, як правило, не менше 3 доменних печей з повітронагрівачами і системою газоочистки. Запас шихти (коксу на 6—12 ч , агломерату або руди, а також флюсів на 1—2 діб роботи печей) зберігається в бункерах естакади (загальною для всіх доменних печей). На багатьох металургійних заводах до складу доменного цеху входить так званий рудний двір, де зберігається основний запас залізняку, що укладається в штабелю рудними перевантажувачами. Формування штабелю і забір з нього матеріалів виробляються з врахуванням усереднювання руд. У доменному цеху є також машини для розливання чавуну.                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2

1-доменна піч; 2-чавунна  льотка; 3-чугуновози; 4- газовідводи; 5-ливарні двори; 6-повітронагрівачі; 7-димар; 8-повітропроводи холодного і гарячого дуття; 9-пункт управління; 10-пиловловлювач;11-апарати тонкої газоочистки; 12- ськиповий підйомник; 13-бункерна естакада; 14-газопроводи брудного і чистого газу; 15-ліфт; 16-агломераційна фабрика.

 

Доменна піч ( Рис. 3 ) є шахтною піччю круглого перетину; футерована вогнетривкою кладкою (верхня частина шамотною цеглиною, нижня — переважно вуглецевими блоками). Для запобігання розпалу кладки і захисту кожуха печі від високих температур використовують холодильники, в яких циркулює вода. Кожух печі і колошниковий пристрій підтримуються колонами, встановленими на фундаменті.

Рис. 3

 Продукти плавки випускаються в чугуновозні і шлакові ковші через льотки, розташовані в нижній частині горна. Колошниковий газ, що утворюється в печі, відводиться через газовідводи, розташовані в куполі печі ( Рис. 4 ).

Рис. 4

  Відстань між віссю  чавунної льотки і нижньою  кромкою великого завантажувального  конуса в опущеному стані називається  корисною висотою доменної печі, а відповідний об'єм — корисним  об'ємом доменної печі.

  Робота доменної печі  починається з її задування.  При цьому горн і заплечики  завантажуються коксом, а шахта — так званою задувочною шихтою. У повністю завантажену піч подається нагріте дуття (зменшена кількість), кокс запалав, і починається опускання матеріалів. Перший випуск чавуну і шлаку виробляється через 12—24 ч , після чого кількість дуття і рудне навантаження (відношення маси руди до маси коксу в подачі) поступово збільшуються, і через декілька днів після задування доменна піч досягає нормальної продуктивності.

  Безперервна робота (кампанія) доменної печі від задування  до видувки (зупинки на капітальний  ремонт) продовжується 5—6, а в  деяких випадках 8—10 років і більш,  протягом яких пекти 1—2 рази  зупиняється на так званий  середній ремонт для заміни  зношеної кладки шахти. Виплавка  чавуну на потужних печах за  одну кампанію досягає 5—8 млн.  т чавуну і більш.

  Управління роботою  (ходом) доменної печі полягає  в регулюванні (відповідно до  якості сирих матеріалів і  вигляду чавуну, що виплавляється)  складу шихти, кількості, температури  і вологості дуття, а також  величини подачі або послідовності  завантаження окремих компонентів шихти і рівня засипу. Хід доменної печі контролюється вимірювальними приладами, реєструючими основні параметри завантаження, дуття колошникового газу, температуру кладки печі на різних горизонтах.

  Набули поширення  плавка з вдуванням додаткових  видів палива, збагаченням дуття  киснем і робота з підвищеним  тиском колошникових газів. При  підвищенні тиску на колошнику  зменшується перепад тиску між  низом і верхи доменній печі; це обумовлює рівніший схід  шихти, покращує відновну роботу  газів, зменшує винесення пилу.

  Доменне виробництво  характеризується високою мірою автоматизації. На сучасній доменній печі автоматично здійснюються всі операції шихтоподачі: набір компонентів шихти з відсівом дрібниці, зважування, транспортування на колошник і завантаження в піч за заданою програмою. Автоматично підтримуються оптимальний рівень засипу і розподіл шихтових матеріалів на колошнику, тиск колошникового газу, витрата води на охолоджування, температура і вологість дуття, а також вміст в нім кисню і витрата природного газу. Автоматизовано перемикання повітронагрівачів і управління режимом їх нагріву. Автоматичні аналізатори забезпечують безперервну реєстрацію складу колошникового газу і дуття. Упроваджуються системи автоматичного регулювання подачі дуття і природного газу як по загальній витраті, так і по окремих фурмам.

  Нові доменні печі  оснащуються системами централізованого  контролю і управління, які забезпечують  усереднювання показників приладів  і підрахунок комплексних показників  роботи печі. Ведуться роботи  по комплексній автоматизації  Д. п., у тому числі управління  тепловим режимом доменної печі  за допомогою ЕОМ(електронна обчислювальна  машина).

Показники роботи доменної печі залежать головним чином від  якості сирих матеріалів і міри підготовки їх до плавки. Основні показники: добова продуктивність доменної печі в т  і витрата коксу на 1 т чавуну.

  Вдосконалення доменного виробництва направлено на поліпшення підготовки сирих матеріалів до плавки, збільшення потужності (об'єму) доменних печей, впровадження прогресивної технології, автоматичного управління ходом доменної печі.

 

Рух матеріалів і газів  у доменній печі

В доменній печі завантажені  шихтові матеріали в результаті протікання фізичних і фізико-хімічних процесів поступово перетворюються на чавун, шлак і доменний газ. Задача доменного процесу полягає в  повному відновленні заліза, що забезпечується безперервним зустрічним рухом шихти  (вниз) і газів (угору) і взаємодією шихтових матеріалів і висхідного потоку газів, що утворюються при горінні коксу в горні. Тривалість перебування матеріалів у доменній печі становить 6-8 годин. Гази, які утворились при згоранні коксу у фурм доменної печі рухаються вгору з великою швидкістю назустріч твердим матеріалам по всьому перетину печі, причому тривалість перебування газу в доменній печі становить 2-5 секунд. За цей час газ нагріває шихтові матеріали і відновлює оксиди металів. Високі показники плавки можуть бути досягнуті тільки при певному розподілі газового потоку по перетину печі. При цьому велике значення має газопроникність стовпа матеріалів, їх розподіл при русі в доменній печі. Для того, щоб забезпечити необхідний розподіл шихти на колошнику, при якому досягається оптимальний газовий потік по перетину печі, вживають різних заходів. Опускання шихти в доменній печі відбувається завдяки тому, що згоряє кокс, відбувається ущільнення матеріалів і утворення рідких продуктів, які займають менший об'єм. Оскільки основна кількість коксу згоряє у фурменній області на відстані 1,5-1,8 м від стінок печі, то і швидкість опускання шихти біля стінок печі вища, ніж по осі. Швидкість опускання матеріалів біля стінок печі становить 90-140, а в центрі печі 70-120 мм/хв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

Таким чином старі печі поряд з ручним керуванням обладнані  системою автоматизованого управління роботою завантажувальних пристроїв  за заданим режимом і рядом  локальних систем автоматичного  регулювання та стабілізації окремих  параметрів процесу. Зазвичай це стабілізація тиску під колошником, керування  роботою повітронагрівачів, стабілізація параметрів комбінованого дуття (витрата  дуття, його температура, вміст кисню в дуття, співвідношення витрат природного газу та повітря з урахуванням концентрації кисню в дуття, розподіл природного газу по фурмам).

Сучасні доменні печі обладнають автоматизованими системами управління, що забезпечують величину рівня автоматизації  управління доменним процесом до 70 і  в окремих випадках до 90%. Такі АСУ  ТП виконують у вигляді ієрархічної  системи, що включає кілька (три-чотири) рівнів автоматизації.

Робота доменної печі регламентується  теологічним режимом, основними складовими якого є: дутьєвий режим, режим завантаження, шлаковий режим і тепловий режим, причому ці параметри тісно взаємно пов'язані. Технологічний режим, що виробляється на підставі узагальнення багаторічного досвіду роботи печей, залежить від умов плавки конкретного цеху і окремої доменної печі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література

 

1. Рамм А. Н. Современный доменный процесс.;М., Металлургия, 1980, 303 с.
2. Вегман Е. Ф. Доменное производство. Справочник. Т.1. М., Металлургия, 1989, 496с.
3. Збірка праць по теорії доменної плавки, сост. М. А. Павлов, т. 1, М., 1957; Леонідов Н. До.,
4. Удосконалення конструкцій доменних печей, М., 1961; Доменний процес по новітніх дослідженнях. [Сб. ст.]. До 100-ліття з дня народження акад.(академік) М. А. Павлова, М., 1963;
5. Доменне виробництво. Довідник, під ред. І. П. Бардіна, т. 1—2, М., 1963;
6. Готліб А. Д., Доменний процес, 2 видавництва, М., 1966.
7. Смирнов В. О., Білецький В. С. Фізичні та хімічні основи виробництва. — Донецьк: Східний видавничий дім, 2005.