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

C + O2 = CO2 (6.1)

В результате этой реакции выделяется большое количество тепла (экзотермическая реакция ). При контакте с раскаленным коксом образовавшаяся двуокись углерода почти полностью разлагается по реакции

CO2 + C = 2CO (6.2)

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 реакцияэндотермическая 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 1.2 - Схема работы доменного цеха

1—загрузочное устройство; 2 -- бункер шихты; 3, 3а – для подачи шихты в печь, 4, 4а – загрузочная емкость с клапаном, 5, 5а – емкость для порционной подачи шихты в печь, 6 – фурмы для отходящих газов, 7—слои шихты, 8 – расплав, 9 – фурмы для подачи горячего воздуха, 10 – летка для выпуска шлака, 11 – летка для выпуска чугуна, 12-13 – подогреватели воздуха, 14 – переключатель подогревателей воздуха, 15 – труба.

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.

 

Мартеновский способ производства стали

Мартеновское производство возникло в 1864 г., когда П.Мартен построил первую регенеративную (использующую теплоту отходящих газов) печь, давшую годную литую сталь из твердой шихты. В России первая мартеновская печь была построена в 1869 г. А.А.Износковым на Сормовском заводе. Вплоть до 90-х годов мартеновские печи использовались для производства стали лишь с завалкой твердой шихты и работали по так называемому скрап-процессу. Разработка технологии рудного процесса на жидком чугуне была осуществлена в Украине братьями А.М. и Ю.М.Горяиновыми; они же внедрили плавку по этой технологии в 1894 г. на Александровском заводе в Екатеринославле (ныне Днепропетровский завод им. Г. И. Петровского).

В мартеновской печи осуществляется передел загруженной в нее шихты: твердого или жидкого чугуна, стального и чугунного лома с использованием железной руды, окалины, кислорода, флюсов и ферросплавов — в сталь заданного состава, при этом получается побочный продукт плавки — мартеновский шлак.

Мартеновская печь

Верхняя часть мартеновской печи (рис. 1) состоит из рабочего пространства (ограниченного ванной 4, передней стеной 9, задней стеной 8, сводом 5 ) и головок, расположенных с обоих концов рабочего пространства. В передней стене находятся загрузочные окна 6, через которые с рабочей площадки загружается шихта, берутся пробы и ведется наблюдение за плавкой. Подина печи имеет наклон к задней стене, в которой находится отверстие для выпуска готовой стали, разделываемое перед выпуском.

Через каналы 1, 2, 3 и 7 головок подается газ (топливо) и окислительное дутье и отводятся продукты горения.

Нижняя часть печи состоит из двух пар шлаковиков, двух пар регенераторов, подземных каналов с перекидными клапанами и дымового борова, соединенного с дымовой трубой или котлом — утилизатором.

Рис. 1 – Схема устройства мартеновской печи

Каналы подачи газа, 4 –ванна печи, 5 – свод, 6 – загрузочные окна, 7 – канал выхода газа, 8 – задняя стенка, 9 – передняя стенка, 10-- газовый шлаковик, 11 – воздушный шлаковик, 12—воздушный регенератор, 13 – газовый регенератор.

Шлаковики и регенераторы расположены попарно и симметрично по обе стороны печи. Сечение через воздушный шлаковик 11 и газовый шлаковик 10 сделано в одной плоскости с сечением рабочего пространства, а сечение через воздушный регенератор 12 и газовый регенератор 13 — в другой плоскости: шлаковики находятся под головками, а регенераторы под рабочей площадкой.

Регенераторы служат для нагрева воздуха и горючего газа, поступающих в рабочее пространство при температуре 1000—1150°. Необходимость нагрева вызвана тем, что в рабочем пространстве должна быть обеспечена температура до 1700° и более, если же предварительного нагрева дутья и газа не производить, то температура в печи будет недостаточна для нагрева и последующего плавления мягкой стали.

Камеры регенераторов заполнены насадкой в виде решетчатой кладки из огнеупорного кирпича.

Регенераторы работают попарно и попеременно: в то время как одна пара нагревает дутье и газ, другая аккумулирует (запасает) теплоту отходящих продуктов горения; по охлаждении регенераторов до нижнего предела либо по достижении верхнего предела нагрева регенераторов, аккумулирующих теплоту, происходит перемена направления движения газов посредством перекидки клапанов. Шлаковики расположены между головками и регенераторами; они служат для собирания пыли и капель шлака, которые выносятся продуктами горения.

Для нагрева мартеновских печей, работающих на машиностроительных заводах, применяется также жидкое топливо (мазут). Мазут в рабочее пространство вводится с помощью форсунки и распыляется струей воздуха или пара под давлением 5—8ати. Печи, работающие на мазуте, оборудуются только двумя регенераторами (и соответственно двумя шлаковиками) для подогрева окислительного дутья по одному с каждой стороны.

Мартеновские процессы и печи разделяют на основные и кислые в зависимости от характера процесса и, соответственно, материала футеровки подины и стен.

Плавка стали на шихте, содержащей фосфор и серу в количестве, превышающем допустимое в готовой стали, производится основным процессом, т.е. под основным шлаком и в печах с основной футеровкой.

Ванна основных печей футеруется обожженным доломитом или магнезитом. Для кладки свода рабочего пространства, головок и стен шлаковиков применяют магнезитохромитовый кирпич, имеющий высокую стойкость. В небольших печах, а также при отсутствии магнезитохромитового кирпича, свод печей делается из динасового кирпича.

Для плавки стали под кислым шлаком применяются кислые печи с футеровкой из динасового кирпича и кварцевого песка.

Помимо стационарных мартеновских печей, применяются также качающиеся мартеновские печи. Верхняя часть качающейся печи опирается на систему роликов. Между торцовыми стенками рабочего пространства и головками имеются небольшие щели, обеспечивающие возможность поворота корпуса печи. Посредством поворотного механизма осуществляется наклон до 15° в сторону рабочей площадки для скачивания шлака, или на 30—33° в сторону выпускного отверстия для выпуска стали.

Продолжительность службы мартеновской печи (ее кампания) определяется числом плавок, выдерживаемых сводом рабочего пространства; она составляет обычно для печей с динасовым сводом 250— 300 плавок (при большой емкости) или 400—500 плавок (при малой и средней емкости), а для печей с хромомагнезитовым сводом 700 и более плавок.

В мартеновских печах выплавляют углеродистую конструкционную сталь, а также легированную сталь различных марок.

Плавка в мартеновских печах

Мартеновский процесс протекает при физико-химическом взаимодействии между металлом, шлаком, газовой средой и футеровкой печи в условиях высоких температур.

Задачей процесса является уменьшение до требуемой нормы содержания углерода, марганца и кремния и возможно более полное удаление вредных примесей (серы, фосфора, кислорода, водорода, азота).

Окисление элементов металлической ванны протекает при взаимодействии их с кислородом, который вносится в рабочее пространство печи дутьем, а также с рудой и окалиной; применяется также вдувание кислорода в расплавленный металл.

Существуют две главные разновидности мартеновского процесса: скрап-рудный процесс (основной) и скрап-процесс (кислый или основной).

Скрап-рудный процесс. Этот процесс применяется в мартеновских печах металлургических заводов, где имеются доменные печи. Шихта при скрап-рудном процессе состоит в основном (обычно более чем на 65%) из жидкого чугуна, небольшого количества (10—15%) стального лома (скрапа), железной руды и флюсов.

В настоящее время основную часть стали получают скрап-рудным процессом.

Мартеновский чугун почти всегда содержит повышенное количество фосфора, поэтому для скрап-рудного процесса применяются основные печи. Сначала в печь загружают твердую шихту: стальной лом, флюс (известняк или известь) и железную руду. Заливку жидкого чугуна производят, когда шихта в печи нагреется до температуры несколько более высокой, чем температура плавления чугуна.

При расплавлении шихты в печи образуются жидкий металл, шлак и газы, которые непрерывно взаимодействуют и изменяются по составу: верхние слои шлака реагируют с печными газами, нижние — с металлом, а металл — с футеровкой пода и откосов печи.

Ход окисления примесей — кремния, марганца, фосфора, углерода — определяется наличием в металле свободной закиси железа, последняя легко переходит из шлака в металл и обратно, чем устанавливается определенное равновесие по количеству закиси железа между ними. Закись железа образуется при взаимодействии железа с рудой и окалиной.

В настоящее время свыше 90% мартеновской стали в стране производится в печах с автоматическим управлением их тепловым режимом. В результате автоматизации достигаются экономия топлива (около 5%), повышение производительности (в среднем на 8%) и увеличение стойкости свода печи (примерно на 9%).

 



 

Конвертерный способ производства стали

 

Источником теплоты при конвертерном способе являются химические реакции окисления элементов, входящих в состав чугуна. Окисление протекает в основном за счет кислорода дутья (воздуха, технически чистого кислорода, газо-кислородной смеси). В настоящее время дутье подается в различных конвертерах через днище, сбоку или сверху. В соответствии с этим применяются конвертеры различных конструкций.

Конвертеры с боковым дутьем имеют емкость 0, 5—4т и используются в сталелитейном производстве с целью выплавки стали для фасонного литья.

На металлургических заводах в настоящее время применяют конвертеры с нижним (через отверстия в днище) и верхним (через горловину) дутьем емкостью от 5 до 60т.

До последнего времени применялись лишь конвертеры с нижним дутьем и использованием атмосферного воздуха; в результате выплавлялась сталь, насыщенная азотом и имеющая поэтому пониженную свариваемость, а также склонность к старению и хрупкому излому при низких температурах. В связи с этим недостатком конвертерный передел, являющийся первым способом массового производства литой стали, с конца прошлого века постепенно вытеснился мартеновским и электросталеплавильными способами.

Применение вместо воздуха технически чистого кислорода резко изменяет весь ход процесса, позволяет использовать наиболее дешевый передельный мартеновский чугун, переплавлять в конвертере до 20—30% металлолома (вместо 5—10% при воздушном дутье), получать сталь по качеству не уступающую мартеновской. Основным преимуществом конвертерного способа является его высокая производительность. Цех, имеющий 3—4 конвертера емкостью по 25т, может дать до 1300000 т. стали в год. Поэтому в ближайшие годы следует ожидать повышения доли конвертерного способам общем производстве стали.

Конвертер с нижним дутьем (рис.7.1) представляет сосуд грушевидной формы. Кожух конвертера сваривают из толстой листовой стали и футеруют внутри огнеупорным материалом. Снаружи в средней части конвертер имеет два цилиндрических выступа 1 и 2, называемых цапфами, которые служат для опоры и поворота конвертера. Одна из цапф (2) делается полой и соединяется с газопроводом 3. От цапфы к днищу 7 дутье подается через трубу 4 и коробку 5. В днище конвертера имеются отверстия — фурмы 6, через которые дутье подается в конвертер под давлением 1, 8 — 2, 5 ати. В последнее время при уменьшенной площади сечения фурм давление повышают до 5, 5 атм.

Для облегчения ремонта конвертера днище делается приставным.

При заливке жидкого чугуна и при перерывах процесса конвертер поворачивается на цапфах в положение, показанное на рис.7.2, с помощью зубчатой рейки, сцепленной с зубчатым колесом 8. После заливки чугуна пускают дутье, и конвертер поворачивают днищем вниз. Слой металла составляет при этом от 1/5 до 1/3 высоты цилиндрической части конвертера.

В конвертер с верхним дутьем кислород под давлением 4—12 ати подводят на поверхность металлической ванны через специальную водоохлаждаемую фурму 1 с

медным соплом.

 

 

                       Рисунок 7.1

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: