Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах

Описание доменного процесса: как получают чугун

Всё ещё распространённым, хотя и устаревшим видом металлургического производства является процесс получения жидких металлов в результате реакции потока воздуха со смесью металлической руды, кокса и флюса. Это — доменный процесс, считающийся универсальным и используемым для:

• Исходное сырье
• Сущность процесса в доменной печи
• Физико-химические основы процесса
• Конструкция доменной печи

1. Производства чугуна из железной руды.
2. Последующей переработки чугуна в сталь.
3. Выплавки таких металлов как свинец или медь, имеющих сравнительно небольшую температуру плавления.

Быстрое горение поддерживается потоком воздуха, который подаётся под давлением.

Исходное сырье

Доменные печи производят чугун из железной руды за счет восстанавливающего действия углерода (подаваемого в виде кокса) при высокой температуре в присутствии флюс, например известняк.

Для производства передельного чугуна, а также для выплавки первичной стали в доменной печи используется три вида основного сырья:

1. Предварительно подготовленная на агломерационной фабрике железная руда.
2. Кокс – твёрдое вещество, которое осталось после нагревания угля в отсутствие воздуха. Кокс обычно содержит до 90% углерода.
3. Известняк (CaCO₃) или негашеная известь (CaO), которые периодически должны добавляться в доменную печь.

Для эффективной реализации доменного процесса при производстве чугуна требуется руда с содержанием железа не менее 50%. Однако на практике часто приходится иметь дело с так называемыми «бедными» рудами. Поскольку стоимость транспортировки железной руды достаточно велика, то она перед отправкой проходит операции, называемые обогащением. Технология обогащения включает следующие переходы:

1. Дробление.
2. Обработку на грохотах – промышленном просеивающем оборудовании, которое разделяет фракции руды.
3. Галтовку – придание руде вида геометрически соразмерных кусков.
4. Флотацию – водную очистку от механических примесей, которая использует разность в показателях плотности компонентов.
5. Магнитную сепарацию – отделение немагнитных примесей.

С помощью этих процессов очищенная руда обогащается до более чем 60% железа и перед отправкой обычно превращается в окатыши.

В составе исходного сырья обязательно присутствует ряд химических элементов. Главным среди них является углерод, который обеспечивает последующее повышение механических характеристик металла путем термообработки. Для производства стали требуется относительно небольшое количество углерода: до 0,25% для низкоуглеродистой стали, 0,25…0,50% для среднеуглеродистой стали и 0,50–1,25% для высокоуглеродистой стали. Сталь может содержать до 2% углерода, а сверх этого количества речь может идти уже только о чугуне, где избыток углерода образует графит.

В небольших количествах (0,03…1,0 %) при выплавке металла в домне используется марганец, который предназначается для удаления нежелательного кислорода и контроля содержания серы. Её трудно удалить из стали, а форма, которую она там принимает (сульфид железа, FeS), придаёт металлу хрупкость, являющуюся следствием роста размеров зёрен в структуре. Крупнозернистый металл ухудшает его ковкость и прокатку, особенно в условиях повышенных температур. Содержание серы в сталях обычно не превышает 0,05%.

Нежелательным компонентом любого вида сырья для домны является фосфор. Обычно его количество не превышает 0,04%, но он имеет тенденцию растворяться в чугуне, немного увеличивая прочность и твердость сплава.

В зависимости от условий дальнейшего применения в качестве сырья доменное производство использует легирующие добавки таких металлов, как хром, молибден, никель, алюминий, кобальт, вольфрам, ванадий и титан. Часто в состав сырья включают неметаллы, например, бор и/или кремний.

Сущность процесса в доменной печи

Исходное сырьё (шихта из железосодержащих материалов, например, железорудных окатышей и агломерата), кокс и флюсы (например, известняк) спускается по шахте, где она предварительно нагревается и вступает в реакцию с восходящими восстановительными газами. Образуется жидкий расплав железа и шлаков, которые скапливаются в очаге.

Воздух, предварительно нагретый до температур от 900 ° до 1250 °C, вместе с впрыскиваемым топливом, например, нефтью или природным газом, вдувается в печь через несколько фурм (форсунок), которые расположены по окружности топки у верха очага. Количество таких форсунок может быть от 12 до 40 (на доменных печах большой мощности).

Предварительно нагретый воздух, в свою очередь, подается из нагнетательной трубы большого диаметра, которая окружает топку. Предварительно нагретый воздух бурно реагирует с горячим коксом, что приводит как к образованию восстановительного газа (монооксида углерода), который поднимается через печь, так и к очень высокой температуре около 1650 ° C, при которой происходит образование жидкого железа и шлаков.

Физико-химические основы процесса

Производство металла в доменной печи представляет собой процесс тепломассообмена, поэтому печь может быть разделена на различные зоны в соответствии с физическим и химическим состоянием сырья и температурой. В соответствии с каждым температурным интервалом будут происходить определённые реакции.

Нисходящая шихта сушится и предварительно нагревается во время спуска восходящим газом. Предварительно нагретый воздух вдувается в печь через фурмы в нижней части печи. Кислород вступает в реакцию с углеродом кокса, образуя окись углерода, а водный пар, содержащийся в дутье, реагирует с углеродом, образуя окись углерода и водорода.

Азот в дутье действует как дополнительный теплоноситель (вместе с CO, CO₂ и H₂). Температура адиабатического пламени в пространстве сгорания перед фурмами составляет около 2100…2300 °C. Восходящий горячий газ нагревает чугун и шлак, которые постепенно собираются в топке ниже уровня фурмы и выпускаются через определённые промежутки времени. Восходящий газ проходит через зону когезии, где железо и шлак размягчаются, разделяются и плавятся. Фаза шлака содержит некоторое количество невосстановленного оксида железа FeO.

Над зоной когезии газ нагревает шихту. Оксид углерода и водород восстанавливают оксид железа опосредованно, в виде реакций газ-твёрдое тело, при этом образуются восстановительные газы.

Эти реакции ослабевают, когда температура газа опускается ниже 900 °C. Реакции восстановления, увеличения содержания СО₂ и охлаждения газа продолжаются по мере его подъёма. Оставшееся теплосодержание газа используется для сушки и предварительного нагрева шихты перед тем, как газ покинет верх печи при температуре 100…300 ° C. Верхний газ по-прежнему является ценным топливом с более низкой теплотворной способностью 3–4 МДж / Нм 3 .

После относительно быстрого нагрева примерно до 900 ° C, загрузка достигает зоны химического резерва, где разница температур между газом и твёрдым телом составляет около 50 °C. Примерно при 1000…1100 °C (в зависимости от химического состава железной шихты и степени восстановления) нагрузка попадает в зону когезии. Оксиды железа восстанавливаются до металлического Fe, одновременно происходит отделение железа и шлака. Металлическое железо насыщается углеродом в коксе и газе CO и плавится при 1200…1300 °C. Расплавленное железо и шлак стекают через слой кокса к поду, где достигают своей конечной температуры и состава.

Конструкция доменной печи

Печи, где происходит доменная плавка, состоят из нескольких зон:

• Пода в виде тигля в нижней части печи;
• Промежуточной зоны, называемая чушкой, которая располагается между подом и штабелем;
• Вертикальной шахты (штабеля), идущей от чушки до верха печи;
• Верхней части, которая содержит механизм загрузки печи.

Важно: практическая удельная производительность доменной печи находится в пределах 1300…2300 кг металла с 1 м 3 объёма печи за сутки её непрерывной работы.

Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах

Рассмотрим особенности устройства, его предназначение. Основные процессы доменной печи связаны с плавкой кокса. Он представляет собой пористый материал, который спекается из массы углерода, получаемой путем прокаливания каменного угля без присутствия кислорода воздуха.

Доменная печь – это мощный и высокопроизводительный агрегат, где расходуется существенное количество дутья и шихты.

Загрузка сырья

Современная доменная печь предполагает нахождение в ней материалов в течение 4-6 часов, газообразных веществ – 3-12 секунд. Если газы будут полностью распределены по сечению печи, можно рассчитывать на высокие показатели плавки, идет производство чугуна. Доменный процесс предполагает учет движения газов по зонам, имеющим меньшее сопротивление шихты. Поэтому при ее загрузке в печь осуществляется регулировка, перераспределение кокса и агломерата по сечению печи так, чтобы они отличались по газопроницаемости. В противном случае больший процент газов будет уходить из печи со значительной температурой, что негативно отразится на применении тепловой энергии, доменный процесс будет не в полной мере эффективным.

На тех участках, которые имеют большое сопротивление, шихта газов будет проходить незначительно нагретой, потребуется дополнительный расход тепла в нижней части печи, в результате существенно возрастет расход сырья.

Какие еще особенности важно учитывать при загрузке? Доменный процесс получения чугуна – энергоемкое производство. Именно поэтому у стен печи используют слой менее газопроницаемого агломерата, в центре – увеличивают слой кокса, благодаря чему перераспределяется поток газа к центру. Материалы по окружности располагают равномерно.

Загрузка шихты осуществляется отдельными порциями – подачами. Одна порция состоит из нескольких скипов, рудной части (агломерата), кокса. Соотношение исходных ингредиентов определяют специалисты.

Доменный процесс допускает совместную подачу сырья, при которой скипы кокса и агломерата скапливают на большом конусе, а затем его загружают в печь.

Доменное производство чугуна

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

Выплавка чугуна в доменных печах характеризуется сложным комплексом трудоемких подготовительных производственных процессов.

Для производства обычного доменного чугуна используют шихту, состоящую из железных и марганцевых руд, флюсов, флюсованного агломерата, окатышей и топлива. От качества подготовки сырых материалов — дробления, сортировки, обогащения, окускования — зависит в конечном счете качество выплавленного чугуна.

Исходное сырье для производства чугуна

Железные руды

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

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

Пустая порода

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

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

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

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

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

Красный железняк

(гематит) содержит 55—70% железа в виде безводной окиси железа Fe2O3. Примесей серы и фосфора в нем мало. Пустой породой железняка обычно является кварцит. Плотность и прочность красного железняка весьма различны. Восстановимость его в доменных печах хорошая. Наиболее крупные залежи красного железняка находятся в районе Кривого Рога. Встречаются эти руды также на Урале и в Сибири.

Бурый железняк

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

Магнитный железняк

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

Комплексные железные руды

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

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

— ванадистые титаномагнетиты руды состоят из смеси магнетита, ильменита и трехокиси ванадия и содержат 38—47% Fe, 5—15% ТiO2, 0,3 — 0,5% V. При плавке значительное количество титана переходит в состав шлака, из которого титан извлекают химическим путем.

Марганцевые руды

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

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

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

Отходы металлургического производства

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

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

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

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

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

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

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

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

Древесный уголь

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

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

Подготовка шихты к плавке

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

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

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

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

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

Бедные железные руды, содержащие вкрапления магнетита Fe3O4, обогащают электромагнитным способом в сепараторах барабанного или ленточного типа. Руду с крупными и средними вкраплениями магнетита дробят до кусков размерами 25 — 30 мм и подвергают сухой магнитной сепарации. Руду с мелкими и тонкими вкраплениями магнетита сначала измельчают до частиц размерами 3 мм, а затем подвергают мокрой магнитной сепарации.

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

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

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

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

Широко распространен способ окускования мелких и пылеватых железных руд агломерацией

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

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

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

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

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

Устройство доменной печи

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

На рис. 1 дана современная схема доменного производства.

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

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

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

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

Чугунная летка находится на 600 — 1700 мм выше уровня лещади.Поэтому на ней всегда остается жидкий чугун, предохраняющий лещадь от разрушения. Эта летка имеет форму канала, проходящего: через огнеупорную кладку нижней части горна. Обычно их две, но на больших печах — свыше 3200м2— ограничиваются одной. В период между выпусками чугуна летку забивают огнеупорной массой.

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

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

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

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

Рис. 1 – Разрез доменного цеха с печами полезного объема 2000м2:

– портальный кран;
2
– бункеры для шихтовых материалов;
3
– вагон-весы;
4
– скип;
5
– железнодорожные пути;
6
– лебедка для подъема скипов;
7
– наклонный мост; 8 – свечи
; 9
– газоотводы;
10
– засыпной аппарат;
11
– шахта;
12
– перекрытие литейного двора;
13
– распар;
14
– кольцевой воздухопровод;
15 –
заплечики; 16 – фурма;
17
– горн;
18
– ковши для перевозки шлака;
19
– колонны, поддерживающие шахту печи;
20
– фундамент;
21
– лещадь;
22
– ковши для перевозки чугуна;
23
– рабочая площадка у печи;
24
– колошник;
25
– колошниковая площадка;
26
– монтажная балка;
27
– наклонный газоотвод;
28
— газоочиститель

Порядок работы доменной печи

Задувка доменной печи

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

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

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

Схема работы доменного цеха приведена на рис. 2. Со склада шихтовых материалов шихта поступает в вагон-весах к скиповой яме. Скип загружают шихтой из загрузочной воронки. После этого скип лебедкой поднимают по рельсам наклонного подъемника печи на колошник. Шихта попадает сначала в приемную воронку с малым конусом, затем в загрузочную воронку с большим конусом и далее в рабочее пространство печи.

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

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

6.6. Сущность процессов, происходящих в доменной печи

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

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция

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

Поэтому газовая фаза приобретает резко восстановительные свойства.

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

Дегидратация шихтовых материалов начинается на колошнике, а заканчивается обычно в верхней половине шахты печи. Здесь же удаляются остатки летучих веществ из кокса (Н2, СН4 и др.).

В средней и нижней частях шахты печи происходит термическое разложение

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

CaCO3 = CaO + CO2 (6.3)

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

3FeCO3 = Fe3O4 + 2CO2 + CO (6.4)

Двуокись углерода, выделяющаяся при разложении СаСО3 и других углекислых соединений, уменьшает концентрацию окиси углерода в колошниковых газах.

Куски железной руды и агломерата после удаления из них влаги восстанавливаются, образуя металлическое железо. Восстановителями железной руды в печи могут быть: окись углерода (образуется возле фурм печи при горении кокса); водород (образуется в нижних горизонтах печи при взаимодействии влаги дутья с углеродом кокса по реакции

твердый углерод находится в раскаленном коксе. Обычно в доменных газах содержится небольшое количество водорода; большая часть железной руды восстанавливается окисью углерода и твердым углеродом. Восстановление руды окисью углерода начинается в шахте и происходит ступенчато.

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

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

Одновременное течение реакций позволяет суммировать их и получить

FeO + C = Fe + CO (6.5)

Реакцию (6.5) называют реакцией прямого восстановления железа

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

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

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

Одновременно с восстановлением и науглероживанием железа происходит восстановление из шихты марганца, кремния и фосфора, которые также переходят в чугун. Высшие и средние окислы марганца восстанавливаются до низшего ступенчато окисью углерода по схеме.

Наиболее трудно восстановимый низший окисел марганца (закись) восстанавливается твердым углеродом по реакции

MnO + C = Mn + CO (6.6)

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

Кремнезем восстанавливается только твердым углеродом.

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

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

После остывания насадки воздухонагревателя 12

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

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

Рис 2 — Схема работы доменного цеха

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

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

Содержащаяся в шихте сера частично удаляется с газами в виде H2S и SO2. Однако значительное количество серы остается в печи в виде сульфидов и распределяется между образующимися жидкими шлаком и чугуном. Наименее желательное соединение серы — сульфид железа FeS, хорошо растворимый в металле.

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

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

Продукция доменного производства, марки История производства стали Конвертерный, мартеновский способ производства стали Производство стали в электропечах, новые методы Процесс работы доменной печи, производства, разливка Пром. минералы серебра Типы руд серебряных месторождений, свойства, условия Подсчет запасов месторождений серебряных руд, степень изученности Сплав, способы получения стали Влияние примесей на структуру и свойства чугуна Угольная промышленность, география


Регулировка распределения шихты

Управление распределения кокса и агломерата по сечению колошников осуществляется следующими приемами:

• меняется порядок расположения сырья на большом конусе;
• применяются расщепленные и раздельные подачи;
• устанавливаются подвижные плиты у стен колошника.

Доменный процесс предполагает учет определенных закономерностей внесения сыпучих материалов:

• укладка сырья, падающего с большого конуса, на колошнике с возвышением – гребнем;
• у гребня (в месте падения) шихты накапливается мелочь, крупные куски скатываются к подножию гребня, поэтому в этой зоне газопроницаемость шихты больше;
• на гребень влияет уровень засыпки на колошнике, а также расстояние с большим конусом;
• большой конус опускается не полностью, благодаря чему на периферию попадают мелкие куски кокса.

В большей части в центр печи попадает материал из скипов подачи, которые последними загружались в большой конус. Если изменить порядок загрузки, то можно добиться перераспределения материалов по сечению колошника.

Для регулирования процесса распределения по объему печи используемой шихты применяют два конусных аппарата. В последнее время некоторые доменные печи оснащаются подвижными плитами у стенок колошника, позволяющие менять угол наклона, перемещать их по горизонтальной плоскости.

Куски шихты, которые падают на плиты, отражаются от них, что позволяет направлять сырье в определенные зоны колошника.

Цикл загрузки

Под ним принято называть повторяющееся количество порций шихтовых материалов. Максимальную порцию определяют по объему шлюзового бункера засыпного механизма. Количество порций в одном цикле может составлять от 5 до 14. Как получить в полном объеме продукты доменного процесса? Для того чтобы ответить на этот вопрос, подробнее рассмотрим суть процесса. При повышенном содержании в смеси углекислого газа низкая температура способствует полноте протекания теплообменных и химических процессов в доменной печи. Чтобы аппарат работал экономично и интенсивно, количественное содержание углекислого газа по оси и на периферии печи должно быть пониженным, а на высоте одного-двух метров от стен – повышенным.

Контроль температур в новых печах осуществляется путем введения через отверстия в кожухе зондов. Обязательным для всех процессов является контроль уровня засыпки на колошнике.

Среди новаций – применение бесконтактных способов измерения уровня, основанных на показаниях микроволновых, инфракрасных датчиков.

Особенности распределения температур

Кроме тепла, которое вносится нагретым дутьем, в качестве основного источника тепла для нагревания газов и шихты, проведения восстановления и компенсации теплопотерь, компенсировать потери можно теплом, что выделяется при сгорании топлива в верхней части горна. По мере движения газообразных продуктов из горна вверх тепло опускается к шихтовым холодным материалам, происходит теплообмен. Подобный процесс объясняет понижение с 1400 до 200 градусов температуры на выходе из печного колошника.

ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Технический прогресс в доменном производстве характеризуется строительством новых мощных высокомеханизированных и автоматизированных печей, а также реконструкцией действующих печей, их модернизацией в соответствии с современными достижениями технологии выплавки чугуна. Современные крупные доменные печи имеют объем 3200 — 5000 м3, производительность 7000 — 11000 т чугуна в сутки, после задувки работают непрерывно в течение 5 — 10 лет.

Технологическая задача доменного производства сводится к получению чугуна из железной руды путем восстановления железа из кислородных соединений и его науглероживания. Сырьем современного доменного производства являются железорудный агломерат или окатыши, каменноугольный кокс и добавки (флюсы). Последние облегчают плавление пустой породы и других примесей к руде. Доменный процесс протекает при температуре 1600 — 1700 °С.

Доменная печь (рис. 43) представляет собой вертикальную печь шахтного типа. Ее высота до 35 — 40 м, примерно в 2,5 раза больше диаметра. Стенки и основание печи выкладывают из огнеупорных материалов. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на ¾ высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Расход её для крупных печей составляет до 70000 м3 в сутки. Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух.

Рис. 43. Доменпая печь (схема). 1. засыпной аппарат; 2. газоотводы; 3. защитные плиты; 4. огнеупорная кладка; 5. стальной кожух; 6. кольцевые- площадки; 7. холодильники-шахты; 8. опорное кольцо; 9. кольцевой воздухопровод; 10. ось чугунной летки; 11. фурменный, рукав; 12. рабочая площадка; 13. колонна; 14. летка для чугуна; 15. холодильник; 16. летка для шлака.

К вспомогательным устройствам, обеспечивающим работу печи, относятся: шихтовые дворы, оборудованные погрузочно-разгрузочпыми устройствами; бункерные эстакады с вагонами-весами для автоматического взвешивания шихтовых материалов; подъемные механизмы, доставляющие емкости (скипы) с шихтой к загрузочному аппарату доменной печи; воздухонагреватели и другие устройства для осуществления горячего дутья; литейный двор, разливочные машины и др.

Отделение шихтоподачи доменного производства представляет собой галерею, в которой двухрядно размещены сырьевые бункеры. Подача из них железорудных материалов в доменную печь осуществляется с различной степенью механизации и автоматизации. Во вновь строящихся доменных цехах используется автоматическая конвейерная система шихтоподачи: при герметичном укрытии всех пылящих узлов и конвейера металлическим кожухом. Из-под укрытия с помощью единой мощной аспирационной системы, оборудованной трехступенчатой пылеочисткой, воздух с высокой степенью очистки удаляется в атмосферу.

Наиболее распространена другая технология подачи шихты в домну. Из бункеров шихта (агломерат, кокс, флюсы) с температурой 300 — 600 ºС загружается в передвигающиеся под эстакадой вагоны-весы, из которых сырье ссыпается в вагонетку (скип). Скип по наклонной плоскости лебедкой поднимается на колошник, опрокидывается, и материал через засыпной аппарат загружается в шахту домны. Предупреждение выбивания доменного газа достигается устройством специального колошникового затвора.

Доменная печь работает по принципу противотока: навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа. Для поддержания процесса горения через так называемые фурмы, расположенные в верхней части горна, вдувается горячий воздух. Его расход составляет около 4000 м3 на 1 т металла. В нижней части горна собирается расплавленный чугун. Выпуск чугуна производится через чугунную лётку, представляющую собой узкий канал в кладке металлоприемника, заполненный огнеупорной массой. Для выпуска чугуна в ней пробивается отверстие, которое затем снова заделывается специальной глиной. Одна или две шлаковые лётки располагаются несколько выше чугунной, так как более легкий шлак плавает на поверхности чугуна. Эти лётки запираются металлическими пробками с помощью машиношлакового стопора.

Выпускаемый из доменных печей жидкий чугун по системе открытых желобов заливается в ковш емкостью до 100 т и более, далее из ковшей чугун разливается в емкости меньшею объема. В современных доменных печах разливка чугуна производится на разливочных машинах. Доставляемый чугун выливается постепепно в желоб машины, а из него в движущиеся по конвейерной ленте мульды. Для ускорения процесса остывания и затвердения чугуна мульды могут орошаться водой. В конце конвейера при повороте мульд чашки выгружаются из них на железнодорожные платформы и вывозятся из цеха.

Для предотвращения приваривания чугуна к мульдам их перед заливкой орошают известковым молоком.

Кроме разлива чугуна в мульды, жидкий чугун используют на некоторых заводах для переделки в сталь в сталеплавильных печах. В этом случае расплавленный чугун сливается в специальные приемники (миксеры), из которых наливается в ковши, подаваемые к сталеплавильным печам. Шлак в большинстве случаев выпускается в специальные вагоны-ковши и отвозится в отвал или идет на грануляцию.

Выпуск чугуна и шлака производится периодически. На печах старой конструкции чугун выливают 5 — 6 раз в сутки, а шлак — примерно в 3 раза чаще.

На новых большегрузных доменных печах достигнута столь высокая степень интенсификации плавки, что число выпусков чугуна возросло до 15 — 18 раз в сутки, практически приблизив этот процесс к непрерывному. Операции по вскрытию и заделке чугунной лётки на таких печах полностью механизированы и осуществляются соответственно с помощью бурмашины и пушек с дистанционным управлением.

В процессе плавки выделяется огромное количество доменного газа, который беспрерывно удаляется из домны через газоотводы в колошнике доменной печи. В крупных печах объемом 3000 — 3200 м3 в сутки выделяется 15 — 17 млн. м3 газа. Доменный газ высокотоксичен, так как содержит от 26 до 32% оксида углерода. Кроме того, он сильно запылен (до 15 г пыли на 1 м3 газа). После очистки от пыли доменный газ используют как топливо для нагрева, подаваемого в домну наружного воздуха, водяных и паровых котлов и в других нагревательных производственных установках. Колошниковая пыль передается на агломерацию.

Условия труда в доменном производстве. Микроклиматические условия в доменном производстве чрезвычайно разнообразны. Рабочие, занятые на рудном дворе и бункерной эстакаде, работая на открытом воздухе, подвергаются воздействию метеорологических условий в соответствии с особенностями климата, сезона и конкретных погодных условий. Горновые и их подручные, разливщики чугуна на разливочных машинах в теплый период года работают в условиях нагревающего микроклимата. Средняя температура воздуха на большинстве рабочих мест колеблется в пределах 32 — 37 °С, повышаясь во время выпуска металла на 5 — 9 °С по сравнению с исходной. Интенсивность инфракрасного излучения подвержена значительным колебаниям, при ряде операций она составляет 350 — 10000 Вт/м2. В сочетании со значительными физическими нагрузками, связанными с выполнением ручных операций, такие условия приводят к напряжению терморегуляции. Так, например, у горновых, шлаковщиков температура тела в такие периоды работы может повышаться до 37,5 — 38 °С; происходит учащение частоты сердечных сокращений до 120 — 135 ударов в 1 мин; увеличивается частота дыхания до 30 — 40 в 1 мин. Влагопотери могут составлять 5 — 6 и более литров за смену.

В зимнее время температура на литейном дворе регистрируется в пределах от -3 до 10 °С, нередко в сочетании с ветром. Резкие перепады температуры до 15 — 18 °С в холодный период, сочетающиеся с большими скоростями воздушных потоков, наблюдаются в пределах рабочей зоны бригады горновых.

Работы по загрузке доменных печей шихтовыми материалами характеризуются выделением в воздух больших количеств пыли. Высокая запыленность воздуха создается в подбункерных помещениях при заполнении вагонов-весов и скипа рудой, флюсами, и особенно агломератом, при грохочении кокса, при обдувке механизмов.

Как уже упоминалось, в последние годы вместо агломерата в доменном производстве все более широкое применение получают окатыши, которые, в частности, обладают повышенной механической прочностью, что позволяет ожидать уменьшения пылевыделений в отделениях шихтоподачи. Однако специальные исследования показали, что запыленность воздуха рабочей зоны при использовании окатышей оказалась в 1,5 — 2 раза выше, чем при использовании агломерата. Это объясняется тем, что пылеобразующие фракции окатышей имеют более мелкодисперсный состав. Таким образом, широкое применение окатышей делает еще более актуальной проблему борьбы с пылью в доменных цехах. Большое количество пыли выделяется при выгрузке колошниковой пыли из пылеуловителей. Состав пыли доменных цехов аналогичен таковому на агломерационных фабриках. На литейном дворе в пыли преобладают частицы графита, выделяющиеся из чугуна и шлака.

Доменный цех отличается наибольшим числом газоопасных мест, к ним относятся колошниковые площадки, площадки шахты печей, пылеуловители, места сушки ковшей, рабочие площадки горновых и их помощников, различные участки собственно газового хозяйства. Степень опасности подобных мест определяется концентрацией оксида углерода (как составной части доменного газа). Благодаря внедрению системы профилактических мероприятий — герметизации коммуникаций, автоматизации подачи газа, нормализации сжигания газов, рациональной вентиляции и др., а также благодаря совершенной системе контроля острые отравления оксидом углерода практически ликвидированы. Вместе с тем на ряде участков в условиях небольшого превышения предельно допустимой концентрации составляющих доменного газа в воздухе рабочей зоны не исключены хронические отравления оксидом углерода.

Все работы по обслуживанию доменной плавки являются опасными в отношении травматизма — ожогов искрами и брызгами расплавленного металла, выбивающимися из печи горячими газами при замене фурм, раскаленным металлом при уборке скрепа.

Яркость расплавленного металла и шлака, смотровых глазков, фурм значительно превышает переносимые уровни и характеризуется выраженным слепящим эффектом.

Выведение избыточной влаги

Рассмотрим основные физические и химические процессы в доменной печи. В шихте, которая загружается в доменную печь, имеется гигроскопическая влага. К примеру, в составе кокса ее содержание может составлять до пяти процентов. Влага быстро испаряется на колошнике, поэтому для ее устранения требуется дополнительное тепло.

Появляется гидратная влага при загрузке в доменную печь бурого железняка, а также каолина. Для решения проблемы в современном производстве чугуна практически не применяют в качестве сырья данные руды.

Восстановление окислов железа и других соединений

Характерным для доменного процесса является непрерывность и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов с встречным потоком восстановительных газов. Восстановителями являются водород и окись углерода, которая в газах количественно преобладает и имеет первостепенное значение. Восстановление окислов железа окисью углерода называют косвенным.

Восстановление окислов железа протекает ступенчато — от высшего окисла до металлического железа последовательно повышающейся прочности связи кислорода с железом Fe2О3→Fe3О4→FeО→Fe. При температурах выше 570° С восстановление окиси железа до железа осуществляется тремя ступенями по следующим реакциям:

1. 3Fe2О3 + СО = 2Fe3О4 + СО2,

298 = — 52,25 кДж, Δ
Z
0= — 52130 — 41,00Г Дж/моль;

2. Fe3О4 + СО = 3FeO + СО2,

298 = 35,45 кДж, Δ
Z
0 = 35380 — 40,167 Дж/моль;

3. FeO + СО = Fe + СО2,

298 = — 13,20 кДж, Δ
Z
0 = — 13160 + 17,21 Г Дж/моль.

Термодинамическая неустойчивость закиси железа (вюстита) при температурах ниже 570° С обусловливает двухступенчатую схему восстановления Fе2О3→Fe3O4→Fe с восстановлением магнитной окиси железа по реакции

4. 1/4Fe3O4 + СО = 3/4Fe + СO, ΔH298 = — 5,71 кДж.

Восстановление возможно при исходных составах газовой фазы, определяющих процесс с убылью изобарного потенциала:

Для того чтобы изобарный потенциал был меньше нуля (ΔZ

необходимо выполнение следующего условия:

Равновесию реакций восстановления отвечает строго определенное (для каждой температуры) отношение парциальных давлений р

СО2
/р
СО или концентраций СO2/СО в газовой фазе. На

основании многочисленных исследований построена диаграмма равновесия железа, углерода и их окислов (рис

. 2). Каждая линия диаграммы характеризует изменение равновесного отношения СO2/СО данной реакции в зависимости от температуры. Восстановление обеспечивается избытком СО в газовой фазе относительно его равновесного содержания. Каждое поле диаграммы, ограниченное линиями равновесия, определяет границы температур и составов газовой фазы, при которой устойчива та или другая твердая фаза. Правое поле от линий равноесия 3 и
4
характеризует условия устойчивого существования металлического железа. Очевидно, при отношении СО2/СО, меньше равновесного с FeO—Fe для данной температуры, окислы железа восстанавливаются до железа. Чем богаче газовая фаза окисью углерода, тем более удалена система от равновесия и тем успешнее протекает восстановление. Состав доменного газа по высоте печи, нанесенный на диаграмму равновесия, оказывается далеким от равновесия. Газ проходит печь с такой большой скоростью, что покидает ее с неиспользованной окисью углерода, но успевает отдать шихтовым материалам тепло.

Рис. 2. Восстановительные свойства доменного газа в зависимости от температуры (уровень 400° С соответствует колошнику, уровень 1000—1100° С — низу шахты — распару):

14 — линии равновесия окислы железа — железо с газовой фазой СО—С02; 5,6 —

пределы составов доменного газа на различных температурных уровнях;
7,8
— линии равновесия С—СО—С02 (7 — давление CO + CO 98,06 кН/м2;
8
— давление CO+CO 39,2 кН/м2)

Отношение СО/СО2 в колошниковых газах составляет обычно от 2 до 3.

Температура колошника обеспечивает возможность восстановления окислов железа непосредственно после загрузки их в печь. Основная масса окислов железа восстанавливается до металлического железа к горизонтам низа шахты и распара.

Г. И. Чуфаров с сотрудниками экспериментально показали адсорбционно-автокаталитический механизм процесса восстановления, который протекает в три стадии: 1) адсорбция газа-восстановителя СО или Н2 на поверхности окисла; 2) отрыв кислорода от окисла и переход его к адсорбированным молекулам СО или Н2 с возникновением при этом молекул СО2или Н2О и новой фазы металла; 3) удаление (десорбция) продукта восстановления СО2или Н2О от реакционной поверхности:

Отв + СОгаз =
Me
Отв + СОадс
Me
Отв + СОадс |
Me
Отв + СО2адс,
Ме
Отв + СО2адс =
Ме
тв + СО2газ

Отв + СОгаз
= Ме
тв + СО2газ

Автокаталитическому характеру процесса восстановления окислов железа отвечают: малая скорость реакции в начальный подготовительный период из-за трудности формирования новой фазы; интенсивное восстановление во второй период (рост поверхности раздела твердых фаз); падение скорости реакции в третий период в результате того, что многочисленные реакционные зоны сливаются в одну поверхность, площадь которой непрерывно уменьшается.

Скорость и степень восстановления железорудных материалов зависит от скорости подвода газа-восстановителя к зоне реакции и отвода от нее газовых продуктов; температуры процесса, крупности железорудных материалов (в результате дробления кусков восстановление ускоряется, так как увеличивается поверхность контакта кусков с восстановителем); пористости кусков (с увеличением пористости восстановление усиливается). При повышении давления газа-восстановителя усиливается его сорбция на поверхности железорудных материалов, а с увеличением скорости газового потока уменьшается толщина газовой пленки вокруг кусков.

Адсорбционно-автокаталитический механизм действует в условиях пониженных и умеренных давлений и температур, т. е. в верхней половине шахты доменной печи.

При высоких давлениях и температурах определяющим звеном и механизмом становится диффузия, вчастности диффузия через восстановленный слой металла или низшего окисла. В зависимости от состояния восстановленного слоя может осуществляться диффузия молекул газа восстановителя и вобратном направлении газовых продуктов реакции. При плотной кристаллической структуре восстановленного слоя осуществляется диффузия ионов Fe2+ и Fe3+ к зоне реагирования. Диффузионный механизм характерен для низа шахты и распара.

Восстановление окислов возможно также за счет твердого углерода. Такое восстановление называется прямым и рассматривается как суммарный процесс восстановления окисью углерода и взаимодействия углерода с двуокисью углерода, по следующим реакциям:

FeOTB + СО = FeTB + СО2; ΔН

298 = — 13,20 кДж, С + СО2 = 2СО; Δ
Н
298 = 172,30 кДж

FeOTB + С = FeTB + СО; ΔН

Таким образом, непосредственное восстановление осуществляется газовым восстановителем — окисью углерода, а твердый углерод, взаимодействуя с продуктом восстановления — двуокисью углерода, регенерирует окись углерода. Для прямого восстановления необходимо регенерирование двуокиси углерода в окись углерода со скоростью, восполняющей расход последней на восстановление. Прямое восстановление развивается тем сильнее, чем выше температура. В доменной печи в зоне температур 900—1000° С и выше восстановление происходит исключительно прямым путем. При выплавке обычных сортов чугуна от 40 до 60% железа восстанавливается из вюстита прямым путем. При выплавке чугуна с высоким содержанием марганца и кремния прямое восстановление достигает 80%.

Окислы марганца вносятся в доменную печь железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливаются ступенчато аналогично окислам железа:

2МnO2 + СО = Мn2O3 + СO2; ΔН

298 = — 226,74 кДж 3Мn2O3 + СО = 2Мn3O4 + СO2; Δ
Н
298 = — 170,16 кДж Мn3O4 + СО = 3МnО + СO2; Δ
Н
298 = — 51,96 кДж

Восстановление до закиси марганца происходит в шахте на горизонтах температур 400—800° С. Закись марганца трудно

восстановима и восстанавливается только за счет твердого углерода по реакции

МnОтв + Скокса = Мn + СО; ΔН

с затратой тепла большей, чем при восстановлении закиси железа. Поэтому при выплавке ферромарганца расход кокса составляет 2,2—2,5массовых единиц на единицу сплава. Восстановление закиси марганца задерживается до горизонта температур 1100—1200°С, при которых образуются жидкие шлаки. В результате этого закись марганца в виде силикатных соединений переходит в шлак, и восстановление марганца происходит из шлаковых расплавов. При этом прямому восстановлению марганца благоприятствует растворение в шлаках извести в соответствии с реакцией

MnO•SiO2 + 2СаО + С = Мn + 2СaО•SiO2+ СО;

При выплавке высокомарганцовистых сплавов полноте восстановления марганца способствуют повышенная основность шлака; снижение, относительного количества шлака; высокая температура нижних горизонтов печи.

Так как сродство кремния к кислороду выше, чем марганца, для его восстановления необходимо более низкое отношение СО2/СО в газе. Восстановление кремнезема происходит твердым углеродом при высоких температурах по реакции

Si + 2СО; Δ
Н
298 = 61 1,74 кДж

Еще до восстановления кремнезема силикаты переходят в шлаковый расплав, так что восстановление кремния происходит из шлаковых расплавов.

Восстановление марганца и кремния значительно облегчается при растворении их в железе, при этом восстановленный кремний образует силициды, растворяющиеся в железе. Образование карбидов восстановленных металлов также облегчает восстановление трудновосстановимых окислов.

Фосфор вносится в печь рудными материалами в виде Fe3(PО4)2•8 Н2О и Са3Р2О3. Восстановление его из фосфата железа происходит косвенным и прямым путем, а из фосфата кальция только прямым (из шлаковых расплавов) по реакциям:

2 (3FeO • Р2О5) + 16СО = 3 [Fe2P] + [Р] + 16СО2,

2 (3FeO • Р2О5) + 16С = 3 [Fe2P] + [Р] + 16СО, (3СаО • Р2О5) + 5С = 3 (СаО) + 2 [Р] + 5СО;

Реакция облегчается в присутствии кремнезема, разрушающего фосфат кальция:

(3СаО • Р2О5)+ 5С + 3 (SiО2) = (3СаО•SiО2) + 2 [Р] + 5СО

Все эти процессы вместе с образованием фосфидов железа Fe2Р, Fe3P, растворимых в железе, обеспечивают полноту восстановления фосфора, загрязняющего чугун. Единственная возможность получения чугуна с низким фосфором — малое содержание последнего в шихтовых материалах.

Хром восстанавливается из хромитов FeO•Cr2О3, а ванадий— из окислов V2O3, V2O2и ванадитов. Степень восстановления хрома составляет 90%, ванадия 80%. Никель и кобальт восстанавливаются легче железа и полностью переходят в чугун.

Процессы разложения карбонатов

Соли угольной кислоты могут поступать в доменную печь. По мере их нагревания происходит их разложение на оксиды кальция и углерода, а процесс сопровождается выделением достаточного количества энергии.

В последнее время в доменные печи почти не загружают руды. Какова роль флюсов в доменном процессе? Они повышают его эффективность, позволяют снижать затраты на производство. Благодаря использованию офлюсованного агломерата, полному выведению из доменной шихты известняка можно добиться существенной экономии кокса. Процесс разложения известняка при агломерации обеспечивается сгоранием топлива низкого сорта.

Восстановление железа

Железо вводится в доменную печь в виде оксидов. Основной задачей процесса является максимальное извлечение железа из оксидов путем восстановления. Суть процесса состоит в удалении кислорода, для этого используется углерод, угарный газ, водород. Восстановление углеродом называют прямым процессом, а реакцию с газообразными веществами именуют косвенным взаимодействием. Каковы их отличительные особенности? При прямой реакции расходуется углерод, в результате чего существенно сокращается его количество. Для второго вида восстановления железа из оксидов требуется избыточное количество водорода.

В ходе процесса образуется твердое железо. Степень восстановления в чугун составляет 99,8 %. Таким образом, только 0,2 -1 % превращаются в шлак.

Доменный процесс

Определение: основной способ переработки природного железорудного сырья с получением чугуна (иногда ферросплавов и лигатур). Доменная плавка как процесс и доменная печь как агрегат сформировались в конце раннего Средневековья и уже в течение более 500 лет не изменяют своей сущности, сохраняя следующие технические и технологические особенности:

• шахтный принцип конструкции;
• непрерывный характер процесса;
• противоточное движение шихты и газа;
• наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояния.

Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов и получении расплавленного науглероженного металла (чугуна) и шлака, которые легко отделяются друг от друга вследствие различия в плотностях (плотность чугуна примерно в 2,5 раза превышает плотность шлака).

В любой момент времени доменная печь заполнена железосодержащими материалами: твердыми (в шахте, распаре и на колошнике), размягченными (в заплечиках, распаре и нижней части шахты), жидкими (в горне и металлоприемнике) и коксом, который остается твердым во всем объеме печи. В нижней части печи кокс формирует своеобразную «насадку», которая обеспечивает необходимый газодинамический режим плавки, полноту протекания процессов восстановления железа и науглероживания металла.

В горне печи располагаются отверстия для выпуска жидких продуктов плавки (летки) и для ввода во внутреннее пространство печи дутья (фурмы). Доменное дутье в общем случае представляет собой воздух (иногда обогащенный кислородом), нагретый до 1000-1350°С, и топливно-восстановительные добавки — природный газ, пылеугольное топливо (ПУТ), мазут и т.п., которые подаются в печь под давлением до 500 кПа (изб.). В горне печи формируется окислительная зона, в которой происходят реакции горения кокса и топливно-восстановительных добавок к дутью, в результате чего получается газ, состоящий из азота, оксида углерода и водорода. В окислительной зоне достигается самый высокий в печи уровень температур (2000-2500°С). Образовавшийся в окислительной зоне газ направляется вверх навстречу опускающимся шихтовым материалам и проходит печь в течение 3-12 сек. По мере продвижения газа наверх печи его температура, количество и состав изменяются. В наиболее значительном количестве к газу добавляется оксид углерода, образующийся в результате реакций восстановления оксидов железа, кремния, фосфора, марганца и др. элементов углеродом коксовой насадки. Состав газа меняется прежде всего вследствие протекания реакций восстановления, в результате чего СО превращается в СО2, а Н2 – в Н2О. Нагревая шихту, газ охлаждается до температуры 100-300°С.

Выходящий из доменной печи газ является важным энергетическим сырьем, применяемым в различных металлургических печах и ТЭС.

Опускание шихтовых материалов происходит вследствие освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса у фурм, плавления железорудных материалов и естественной «уминки» шихты.

Шихтовые материалы загружаются в доменную печь периодически и время их пребывания в печи составляет 5-8 часов. Воспринимая тепло от газов, шихтовые материалы постепенно нагреваются, при этом протекают процессы удаления влаги, разложения карбонатов и восстановления оксидов железа оксидом углерода и водородом.

При температурах около 1200°С начинается размягчение, а затем плавление материалов с образованием чугуна и шлака. Шлак формируется из пустой породы железорудных материалов, золы кокса и флюса (если он используется при плавке), он является главным регулятором химического состава чугуна.

Формирование состава чугуна происходит в процессе стекания капель металлического расплава по коксовой насадке и взаимодействия со шлаком. Температура чугуна на выпуске составляет обычно 1380-1420°С, шлака – 1450-1500°С.

Жидкие продукты плавки выпускают из печи периодически (по мере накопления). Доменная печь является одним из наиболее эффективных материалосберегающих агрегатов; коэффициент извлечения железа в чугун составляет 99,5-99,8 %.

Доменная печь занимает головное положение в структуре металлургического предприятия. Качество производимого в доменной плавке чугуна определяет параметры последующего сталеплавильного передела, доменный газ служит основой энергетического хозяйства предприятия, в доменной печи утилизируется (через агломерационное производство) большая часть собственных отходов металлургического производства. Доменное производство является практически безотходным, т.к. доменный шлак представляет собой самостоятельную готовую продукцию, пользующуюся спросом не меньшим, чем чугун, а доменные шламы и пыли являются постоянным компонентом шихты агломерационного процесса.

Выплавка марганцовистых чугунов

В процессе выплавки переделываемых чугунов в доменную печь марганец попадает в виде агломерата. В некоторых количествах марганцевые руды в виде силикатов марганца способствуют получению марганцовистого чугуна.

Восстановление из оксидов марганца происходит ступенчато. Для того чтобы полностью провести процесс, в горне должны быть установлены высокие температуры. Процесс выплавки передельных чугунов сопровождается восстановлением марганца только в соотношении 55-65 %. В настоящее время из-за дефицитности марганцевых руд и марганца в технологической цепочке стали использовать незначительное количество марганцовистых чугунов. При переходе на маломарганцовистые чугуны можно экономить не только сам марганец, но и кокс, так как будет снижаться его расход на прямое восстановление металла.

Основные физико-химические процессы получения чугуна в современных доменных печах

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2 тыс. м3 и более (рис. 1.1). Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3.

Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды
2.
Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300…400°С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1.

Рис. 1.1. Схема доменной пе­чи шахтного типа

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

Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4,

через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000 °С. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную
6
и шлаковую
5
летки в ковши.

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

При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом

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

Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.

Второй процесс

характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется
косвенным,
а твердым углеродом —
прямым..
Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна. Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом. Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150… 1200 °С) в сравнении с чистым железом (1539 °С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

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

В получаемом чугуне кроме железа содержатся полез­ные

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

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

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

Продукты доменного производства и их при­менения

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

1. Передельные

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

2.Для производства фасонных чугунных отливок выпус­каются литейные

чушковые чугуны: обычные (мар­кировка Л) и рафинированные магнием (ЛР).

3. Специальные

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

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

1. Из доменного шлака

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

2. Колошниковый газ

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

Доменный процесс получения чугуна

Сущность доменного процесса получения чугуна заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в доменной печи.

Доменный процесс относится к типу противоточных. Навстречу поднимающемуся потоку горячих газов, образующихся при сгорании кокса у фурм, опускается столб шихтовых материалов.

Газовый поток, содержащий СO, СO2, Н2, N2 и др., образуется в результате горения углерода кокса. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам, охлаждаются до температуры 200 – 300 °С и выходят из печи через колошник. Отсюда название газа – колошниковый.

Полезный объем доменной печи постоянно заполнен шихтовыми материалами. Опускание шихты происходит под действием ее веса, а условием ее движения является освобождение пространства в нижней части доменной печи в результате сгорания кокса и плавления рудного материала и флюса.

После загрузки в печь шихта начинает нагреваться и по мере непрерывного опускания, последовательно развиваются следующие процессы:

• испарение влаги шихты;
• восстановление оксидов железа и некоторых других элементов;
• диссоциация карбонатов.

Испарение влаги шихты

Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую, а иногда и гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется и удаляется на колошнике, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага удаляется при температурах выше 400 °С, и выделяющийся водяной пар, взаимодействует с оксидом углерода или углеродом, обогащая поток газа водородом.

Н2Опар + СО = СО2 + Н2,

Н2Опар + С = СО + Н2.

Восстановление оксидов железа и некоторых других элементов

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления сопровождаются выделением тепла и происходят в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

До температур 700 – 900 °С восстановление осуществляется газовым восстановителем (СО) по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4 + CO = 2FeO + CO2,

FeO + CO = Fe + CO2.

По мере опускания шихты до горизонтов с температурой 900 – 1200 °С, выделяющийся в ходе восстановления углекислый газ (СО2) начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции:

Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции:

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться косвенным путем. По мере опускания шихты, выделяющийся в результате восстановления СО2 начинает взаимодействовать с углеродом твердого топлива и процесс непрямого или косвенного восстановления переходит в прямое восстановление.

Часть оксидов железа руды восстанавливается водородом, образующимся в доменной печи в результате реакции разложения паров воды:

Восстановление оксидов железа водородом происходит также, как оксидом углерода (СО), по стадиям от высших к низшим

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O;

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O;

FeO + H2 = Fe + H2O.

Водород, как реагент-восстановитель, характеризуется более высокой степенью использования. Вследствие меньшего размера молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Поэтому, несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу.

Кроме железа, в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты.

Марганец

Марганец содержится во всех железных рудах в больших или меньших количествах. В соответствии с принципом последовательных превращений, оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим:

MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO → Mn.

Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью до MnO непрямым путем, взаимодействуя с СО. Оксид MnO восстанавливается только прямым путем, и то, частично по реакции:

Взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn3C, который растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO переходит в шлак.

Кремний

Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO2. Восстановление его, как и марганца, осуществляется частично при высоких температурах твердым углеродом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Другая часть SiO2 переходит в шлак, а восстановленный кремний растворяется в железе.

Фосфор

Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соединений (FeO)3 ⋅ P2O5 и (СаО)3 ⋅ P2O5. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа Fe3P. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа полностью растворяются в железе. Условия доменной плавки не позволяют удалить из металла фосфор. Весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Поэтому, единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.

Сера, наряду с фосфором и мышьяком, относится к вредным примесям чугуна, ухудшающим качество металла. Поэтому, большое внимание уделяется проблеме снижения серы в чугуне, а затем и в стали. Сера может присутствовать в шихтовых материалах в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, СaSO4. Независимо от формы, в которой она присутствует в шихте, большая часть серы растворяется в чугуне в виде FeS. Задача удаления серы из чугуна заключается в том, чтобы максимальное количество серы перевести из металла в другие продукты доменной плавки – газ и шлак. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Количество серы, удаляющееся с газовой фазой невелико – от 5 до 10% от общего содержания серы в шихте. Большая часть серы переводится в шлак в результате химического взаимодействия серы чугуна с оксидом кальция, что требует повышенного содержания СаО в шлаке:

FeS + CaO = CaS + FeO.

В последнее время используют различные способы внедоменного удаления серы из чугуна (десульфурации чугуна). Сущность всех этих способов заключается в том, что полученный в результате доменной плавки сернистый чугун подвергают обработке после выпуска из печи химическими реагентами, поглощающими серу из чугуна и переводящими ее в шлак. В качестве таких реагентов используют:

• порошкообразную обожженную известь (СаО);
• карбид кальция (СаС2);
• соду (Na2CO3).

Все эти соединения при взаимодействии с серой чугуна дают переходящие в шлак соединения СаS, Na2S.

Таким образом, шихта, опускаясь в печи, достигает зоны температур 1000 – 1100 °С. При этих температурах, восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом интенсивно растворяет углерод, образуя карбид железа:

Вследствие этого, температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, насыщаются дополнительно углеродом.

В результате растворения в железе углерода, марганца, кремния, фосфора и серы в доменной печи образуется чугун. А в результате сплавления оксидов пустой породы руды, флюсов и золы топлива образуется шлак. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности.

Источник https://nauka.club/materialovedenie/opisanie-domennogo-protsessa-kak-poluchayut-chugun.html

Источник https://separett.su/delaj-sam/domennoe-proizvodstvo-chuguna.html

Источник https://metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/domennaya-pech/394-domennyj-protsess-polucheniya-chuguna.html