Краткое описание технологии выплавки чугуна в доменном производстве

В этой статье расскажу о самом главном элементе современного производства ферросплавов и чугуна, о доменной печи. Она является основным оборудование доменного цеха, поэтому думаю каждому интересно узнать о составляющих доменной печи и принципе действия.

В качестве сырья используется железная руда, а основным продуктом доменного производства является чугун, который нашел свое применение в различных сфера деятельности: автомобильное производства, изготовление сантехники, чугунной посуды и др.

Кстати, вызвать эвакуатор в алматы круглосуточно для автомобиля можно тут.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Минералы в железных рудах

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит и магнентит.

Гематит – красный железняк. Содержит железо в виде безводной окиси железа Fe2O3. Содержание железа в красных железняках составляет 45-65 % при небольшом количестве вредных примесей.

Лимонит – бурый железняк. Содержит железо в форме водных окислов типа nFe2O3×mH2O. В буром железняке – 25-50 % железа.

Магнетит – магнитный железняк. Содержит железо в основном в виде закись-окиси железа Fe3O4, обладающего магнитными свойствами. Магнетиты – самые богатые железные руды – содержат 40-70 % железа.

Составляющие доменной печи

Доменная печь представляет собой непрерывно работающий агрегат, состоящий из следующих зон:

• Горячее дутьё.
• Зона плавления (заплечики и горн).
• Зона восстановления FeO (распар).
• Зона восстановления Fe2O3 (шахта).
• Зона предварительного нагрева (колошник).
• Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.
• Доменный газ.
• Столб железорудных материалов, известняка и кокса.
• Выпуск шлака.
• Выпуск жидкого чугуна.
• Сбор отходящих газов.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи.

Рабочее пространство печи включает:

• колошник;
• шахту;
• распар;
• заплечики;
• горн.

1. Колошник.

   Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между колошником и распаром называется шахтой.

   Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков. В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

2. Шахта.

   На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов.

   Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

3. Распар.

   Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

   Читайте также:  Сталь 08кп – расшифровка, характеристики, особенности применения, виды обработки
4. Заплечики.

   Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

5. Горн.

   Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера домны).

   В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы.

   Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Историческая справка

По­яв­ле­ние соб­ст­вен­но до­мен­но­го произ-ва от­но­сят к сер. 14 в. Д. п. воз­ник в ре­зуль­та­те эво­лю­ции сы­ро­дут­но­го про­цес­са по­лу­че­ния пла­сти­че­ской низ­ко­уг­ле­ро­ди­стой же­лез­ной мас­сы (т. н. крич­но­го же­ле­за) не­по­сред­ст­вен­но из же­лез­ной ру­ды пу­тём вос­ста­нов­ле­ния её в низ­ких сы­ро­дут­ных гор­нах (яма, фу­те­ро­ван­ная ог­не­упор­ной гли­ной, или ка­мен­ный очаг), ра­бо­тав­ших на ес­теств. тя­ге. То­п­ли­вом слу­жил дре­вес­ный уголь. По­сле окон­ча­ния про­цес­са сы­ро­дут­ный горн раз­би­рал­ся, по­лу­чен­ный ме­талл из­вле­кал­ся и спец. мо­ло­та­ми пе­ре­ра­ба­ты­вал­ся в за­го­тов­ку или из­де­лие. По­сте­пен­ное уве­ли­че­ние вы­со­ты сы­ро­дут­ных гор­нов и мощ­но­сти воз­ду­хо­дув­ных средств спо­соб­ст­во­ва­ло по­вы­ше­нию темп-ры про­цес­са, что обу­сло­ви­ло уве­ли­че­ние рас­тво­ри­мо­сти уг­ле­ро­да в ме­тал­ле и сни­же­ние темп-ры его плав­ле­ния. Т. о., на­ря­ду с кри­цей по­лу­чал­ся не­же­ла­тель­ный ме­тал­лич. про­дукт в жид­ком со­стоя­нии (чу­гун), а сы­ро­дут­ный горн пре­вра­тил­ся в вер­ти­каль­ную шахт­ную печь, по­лу­чив­шую назв. «вы­со­кая печь» (нем. Hochofen, франц. Haut four­neau) или до­мен­ная (дуть­е­вая) печь (от слав. «дме­ние» – ду­тьё, англ. blast fur­nace). Пер­вые до­мен­ные пе­чи, пред­на­зна­чен­ные толь­ко для про­из-ва чу­гу­на, поя­ви­лись в Ев­ро­пе в сер. 14 в., в Рос­сии – ок. 1630 (близ г. Ту­ла). На Ура­ле пер­вый чу­гун по­лу­чен в 1701. При пре­вы­ше­нии вы­со­ты пе­чи 16–18 м при­ме­няв­ший­ся дре­вес­ный уголь те­рял свою проч­ность, рас­сы­пал­ся на мел­кие час­ти­цы и тем са­мым де­лал не­воз­мож­ным нор­маль­ное дви­же­ние га­зов вверх сквозь слой ших­ты. Важ­ным фак­то­ром, обу­сло­вив­шим рост про­из-ва чу­гу­на и, со­от­вет­ст­вен­но, уве­ли­че­ние раз­ме­ров и про­из­во­ди­тель­но­сти до­мен­ной пе­чи, ста­ло изо­бре­те­ние А. Дер­би (см. Дер­би) в 1735 спо­со­ба про­из-ва ка­мен­но­уголь­но­го кок­са, став­ше­го осн. то­п­ли­вом Д. п. Боль­шое зна­че­ние для раз­ви­тия Д. п. име­ло при­ме­не­ние па­ро­вой воз­ду­хо­дув­ной ма­ши­ны (1762, И. И. Пол­зу­нов; 1769, Дж. Уатт); воз­ду­хо­наг­ре­ва­те­ля с ог­не­упор­ной на­сад­кой (1857, Э. Кау­пер); оф­лю­со­ван­но­го аг­ло­ме­ра­та (1945–50, Маг­ни­то­гор­ский ме­тал­лур­гич. ком­би­нат); тех­но­ло­гии с вду­ва­ни­ем в горн при­род­но­го га­за и ки­сло­ро­да (1958–70; «За­по­рож­сталь», Но­во­ли­пец­кий ком­би­нат) и др. Зна­чит. вклад в раз­ви­тие Д. п. вне­сли отеч. ме­тал­лур­ги М. А. Пав­лов, М. К. Ку­ра­ко, И. П. Бар­дин и др.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии.

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах.

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Основные физико-химические процессы

: го­ре­ние то­п­ли­ва, вос­ста­но­вит. и га­зо­ди­на­мич. про­цес­сы, те­п­ло­об­мен, об­ра­зо­ва­ние чу­гу­на, шла­ко­об­ра­зо­ва­ние. Осн. ко­ли­че­ст­во кок­са опус­ка­ет­ся в горн и сго­ра­ет вме­сте с до­пол­ни­тель­но вду­вае­мым то­п­ли­вом (га­зо­об­раз­ным, жид­ким или пы­ле­вид­ным) у фурм; в уп­ро­щён­ном ви­де сум­мар­ный про­цесс го­ре­ния сво­дит­ся к ре­ак­ции: 2C+O2=2CO. Га­зы с темп-рой 1600–2300 °C, со­дер­жа­щие 35–45% СО, 1–12% Н2 и 45–65% N2, под­ни­ма­ясь, на­гре­ва­ют опус­каю­щую­ся ших­ту (темп-pa вы­хо­дя­щих из пе­чи га­зов со­став­ля­ет 100–300 °C). Часть кок­са рас­хо­ду­ет­ся на вос­ста­нов­ле­ние по­сту­паю­щих в до­мен­ную печь Fe2O3 и Fe3O4 (со­дер­жа­щих­ся в же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лах) по ре­ак­ци­ям:

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

FeO+C=Fe+CO

По­ми­мо ок­си­дов же­ле­за поч­ти пол­ностью вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся ок­си­ды Ni, Cu, As, P и со­от­вет­ст­вую­щие эле­мен­ты пе­ре­хо­дят в чу­гун; ок­сид цин­ка так­же пол­но­стью вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся, цинк воз­го­ня­ет­ся и от­ла­га­ет­ся в по­рах фу­те­ров­ки, вы­зы­вая её час­тич­ное раз­ру­ше­ние. Эле­мен­ты, об­ра­зую­щие бо­лее проч­ные со­еди­не­ния с ки­сло­ро­дом, чем Fe, вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся из ок­си­дов час­тич­но (V – 75–90%, Мn – 40–80%, Si и Ti в не­боль­ших ко­ли­че­ст­вах) или со­всем не вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся (Al, Mg и Са). S (вред­ная при­месь) по­па­да­ет в до­мен­ную печь в осн. с кок­сом и пе­ре­хо­дит боль­шей ча­стью в шлак (в ви­де FeS, MnS, CaS), в ма­лой сте­пе­ни (до 5%) в чу­гун (FeS) и в га­зо­вую фа­зу. Об­ра­зо­вав­шее­ся же­ле­зо по­гло­ща­ет С в твёр­дом со­стоя­нии, что спо­соб­ст­ву­ет сни­же­нию темп-ры плав­ле­ния на­уг­ле­ро­жен­но­го про­дук­та и бо­лее пол­но­му на­сы­ще­нию его уг­ле­ро­дом. Со­дер­жа­ние С в чу­гу­не за­ви­сит от темп-ры чу­гу­на, его со­ста­ва и др. Шлак со­сто­ит из ок­си­дов: SiO2, Al2O3, СаО, MgO (в сум­ме 90–95%), FeO (0,3–1,0%).

Д. п. – эко­ло­ги­че­ски безо­пас­ный, вы­со­ко­тех­но­ло­гич­ный энер­го- и ре­сур­сос­бе­ре­гаю­щий про­цесс; рас­ход энер­го­но­си­те­ля со­став­ля­ет 16–17 ГДж/т чу­гу­на, а с учё­том ис­поль­зо­ва­ния вто­рич­ных энер­го­ре­сур­сов – 12–13 ГДж/т чу­гу­на; рас­ход наи­бо­лее де­фи­цит­но­го ком­по­нен­та ших­ты (ка­мен­но­уголь­но­го кок­са) – 300–350 кг/т чу­гу­на, при этом ис­поль­зу­ет­ся 100–150 кг за­ме­ни­те­лей кок­са.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

• чугун;
• шлак;
• доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Фосфористые чугуны.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Специальные чугуны (ферросплавы).

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

К ним относятся:

• ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
• ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
• зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Привет студент

Первобытный способ получения железа заключался в нагреве легковосстановимой руды на древесном угле в открытых горнах. Кислород, связанный с железом, соединялся с углеродом топлива, спекшаяся железная масса опускалась на дно горна и, взятая оттуда, освобождалась путем быстрой проковки от задержавшихся в ней шлаков. Ком извлекаемого из горна железа носил название крицы, а самый способ назывался сыродутным или кричным.

Впоследствии сыродутный способ был усовершенствован введением сначала ручного и затем механического дутья. Таким образом железо вырабатывалось до конца средних веков.

Стремление к более полной утилизации тепла повело к устройству закрытых горнов, а стремление к усилению тяги — к увеличению высоты трубы над горном.

Таким образом, горн постепенно начал принимать вид доменной печи. В самом процессе получения железа также начали возникать изменения: под влиянием высоких температур закрытого горна все чаще и чаще наблюдались случаи расплавления крицы, и на дне горна вместо кома железа получалась масса расплавленного чугуна.

Так постепенно сыродутный способ начал переходить в современный доменный.

Так как по мере увеличения температуры печей случаи расплавления крицы учащались, то начали пытаться отливать расплавленную крицу в простую форму и подвергать ее обработке под молотом. Эти попытки были неудачны: чугун и в холодном, и в нагретом состоянии разрушался под молотом.

Впоследствии были найдены способы переработки чугуна в железо, и доменный процесс производства чугуна получил широкое распространение.

Устройство доменной печи. На фиг. 1 представлена схема устройства доменной печи. В шахте 2 печи происходит процесс восстановления железа, в распаре 3 и заплечиках 4 восстановленное железо и пустая порода расплавляются, в горне 5 происходит накопление чугуна и шлаков. Часть железа восстанавливается твердым углеродом в нижних зонах печи.

На фиг. 2 представлен несколько упрощенный вертикальный разрез доменной печи. Надписи на чертеже вполне объясняют его.

Различают полную и полезную высоту печи. Полной высотой печи называют расстояние от пода печи до верха кладки, полезной — расстояние от лещади (пода) до уровня засыпи.

Размер полезной высоты зависит от прочности применяемого горючего: чем прочнее горючее, тем больше может быть полезная высота печи.

Рыхлое топливо под тяжестью вышележащих слоев шихты превращается в мелочь и вследствие этого оказывает большое сопротивление проходу газов; это обстоятельство заставляет при рыхлом топливе уменьшать высоту печи. Поэтому печи, работающие на коксе, всегда выше печей, работающих на древесном угле.

Основным размером доменной печи является полная высота. По полной высоте печи определяют диаметр распара; для печей, работающих на коксе, он обычно равен 0,25 высоты, По диаметру распара определяют диаметры колошника и горна.

Если через D обозначим диаметр распара, через d — диаметр горна и через d, — диаметр колошника, то

Высота доменных печей, работающих на коксе, доходит в настоящее время до 35 м.

Футеровку доменной печи делают из огнеупорного кирпича. Кожух печи делают из котельного железа толщиной 15—20 мм. Шахта печи стоит на опорном кольце и опирается на колонны, другая часть — горн и заплечики опираются непосредственно на фундамент. Охлаждение нижней части шахты, горна и заплечиков производят при помощи холодильников с толстыми трубками, по которым циркулирует вода.

На фиг. 3 представлен (схематически) разрез горна и заплечиков. Лещадь (под) печи выложена из кирпичей, имеющих сужение кверху; это сужение имеет целью устранить возможность всплывания кирпичей в расплавленном чугуне; толщина кладки подины достигает 2,5 м.

Летка для выпуска чугуна имеет обычно прямоугольное сечение шириной 200—250 мм и высотой 400—500 мм; летку забивают глиной, в которой при выпуске чугуна пробивают отверстие диаметром 50—60 мм.

Шахта опирается на колонны. Как горн, так и заплечики охлаждают, как было указано ранее, холодильниками.

На фиг. 4 представлено устройство фурменного прибора. Фурма 1 укреплена в бронзовой коробке 2. В чугунной коробке 3 залита спиральная трубка 4Г по которой циркулирует охлаждающая вода. По трубке 5 охлаждающая вода подводится к фурме и бронзовой коробке; через сопло 6 воздух подводится к фурме; кольцевая труба 7 подводит воздух (труба выложена внутри огнеупорным материалом); чугунный рукав 8 подводит воздух к соплу; рукав имеет внутри огнеупорную футеровку.

Количество фурм в больших печах достигает 17, диаметр отверстия фурмы составляет 150—200 мм. Материалом для фурм служит обычно медь.

На фиг. 5 показана схема современного устройства двойного колошникового затвора. Сырые материалы загружают в воронку 1 при опускании конуса 2 они попадают на большой конус 4. Когда на большом конусе будет загружена вся руда или кокс, большой конус опускается и материалы загружаются в печь.

Материалы подаются на верх печи ка колошниковую площадку по наклонному рельсовому пути в специальных опрокидывающихся вагончиках — скиповых тележках.

Для правильного распределения шихты по сечению печи малая воронка 1 поворачивается после загрузки каждой скиповой тележки на 60°.

Конус 2 поднимается и закрывает воронку1 конус 4 опускается, и сырые материалы загружаются в печь; после этого конус 4 поднимается и разобщает воронку 3 с шахтой.

Конус 4 привешен на цельной железной штанге, конус 2—на полой штанге, через которую проходит штанга конуса 4.

На фиг. 6 показано общее устройство доменной печи и воздухонагревателя — каупера для подогрева поступающего в печь воздуха.

Доменный процесс. Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°; на фиг. 7 эта зона обозначена буквой а.

Опускаясь вниз и нагреваясь до 350—450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на фиг. 7 буквой б.

Загруженное в доменную печь топливо, опускаясь вниз, постепенно нагревается и поступает в раскаленном состоянии в горн, где сгорает за счет кислорода воздуха, нагретого до 500—850°, подаваемого в домну через фурмы под давлением— 1,5—1,8 am. Углерод топлива энергично сгорает против фурм, образуя углекислый газ СО2, который затем восстанавливается и образует окись углерода СО по реакции

Полученная окись углерода СО является восстановителем, т. е. веществом, которое отнимает кислород от окислов.

Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и восстанавливается. При этом протекают следующие реакции:

Таким образом, реакции восстановления протекают без затраты тепла. Этот процесс начинается при температурах, близких к 400°С, и заканчивается приблизительно при 900°. При температурах выше 950—1000° С закись железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям

На фиг. 7 зона, где протекает этот процесс, обозначена буквами в и г.

Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ С03, поднимаясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в окись углерода СО по уравнению

Восстановителем окислов железа в доменной печи, кроме окиси углерода, является и твердый химически чистый углерод, который образуется в шахте доменной печи вследствие распада окиси углерода при 400—600° по уравнению

Это распадение окиси углерода на углекислый газ и углерод происходит в присутствии руды. Получающийся в виде тонкой сажи углерод осаждается на поверхности кусков руды, проникает через поры внутрь них, растворяется в восстановленном уже железе и при температуре выше 1000° восстанавливает остающуюся еще не восстановленной закись железа. При доменном процессе восстановленное и расплавленное железо обычно содержит до 3,5—4,0% общего углерода, но в некоторых специальных чугунах количество углерода может доходить до 6% (в зависимости от содержания Si, Mn, Cr, S и Р).

Железо, содержащее свыше 2% углерода, называется чугуном; следовательно, в результате доменного процесса восстановленное железо переходит в чугун.

Одновременно с плавлением железа и переходом его в чугун происходит воздействие углерода на находящиеся в руде Мn и Si. Марганец может находиться в руде в виде окислов МnО2, Мn2О3, Мn3О4 и МnО; его восстановление происходит в результате реакций:

Дальнейшее восстановление Мn идет под действием твердого углерода по уравнению

Кремний восстанавливается по уравнению

Эта реакция протекает при температуре около 1450°; поэтому для получения высококремнистого чугуна необходимо обеспечивать более высокую температуру в печи, чем при выплавке передельного чугуна.

Восстановленные Мn и Si растворяются в расплавленном чугуне.

Наряду с процессом восстановления железа при 600—900° происходит разложение известняка, вводимого в качестве флюса, на окись кальция и углекислый газ. Этот процесс может быть выражен уравнением

Пустая порода руды сплавляется с окисью кальция флюса, образуя шлак, который периодически выпускают из печи.

В горне печи шлак растворяет золу кокса и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из него серу. Реакция поглощения шлаком серы может быть выражена уравнением FeS (сернистое железо)+CaO = CaS (сернистый кальций) + FeO.

Соединение CaS нерастворимо в чугуне, а соединение FeS хорошо растворяется в чугуне.

Процесс освобождения чугуна от серы протекает тем лучше, чем выше температура горна. Вместе с тем с повышением температуры в горне и заплечиках (зона д) увеличивается и восстановимость кремния и марганца

Так как увеличение содержания в чугуне кремния способствует при осты-зании выделению части углерода в виде графита, то серые (графитистые) чугуны можно получать при горячем ходе печи. Фосфор всегда восстанавливается в доменном процессе в результате реакции

Фосфор в условиях доменной плавки почти полностью переходит в чугун.

На фиг. 8 дана кривая, показывающая приблизительную величину температуры в различных зонах доменной печи при нормальном ходе процесса. Кривая показывает, что в области шахты повышение средних температур (от колошника к распару) происходит сравнительно медленно, быстрый рост температур начинается с распара.

Высокие температуры в верхних зонах печи нежелательны, так как, если температура в верхних зонах доменной печи будет слишком высока, плавление руды может начаться прежде полного восстановления железа из окислов, и невосстановленные окислы железа могут вступить в химическое соединение с кремнеземом руды. В результате такого процесса образуются жидкоплавкие силикаты, стекающие вниз в виде шлака черного цвета. Для восстановления железа из его силикатов требуется создать особые условия работы печи, а именно: повысить температуру дутья или увеличить расход горючего. Для избежания возможности перехода железа в шлак необходимо стремиться к тому, чтобы на большей части высоты печи держалась умеренная температура и чтобы переход от умеренных температур к высоким происходил как можно быстрее; при таких условиях железо до плавления успеет полностью восстановиться, а пустая порода будет своевременно расплавлена.

Горячее дутье и его влияние ка ход доменного процесса.

Тепло, выделяемое сгорающим в доменной печи топливом, расходуется не только на плавление шихты, но и на нагрев воздуха, вводимого в доменную печь. При холодном дутье повышение температуры в горне может быть достигнуто лишь увеличением

количества сжигаемого топлива при соответственном увеличении количества вдуваемого воздуха. В результате увеличивается количество получающихся при сгорании углерода горячих газов, которые, поднимаясь вверх, повышают температуру вышележащих зон печи.

В целях экономии топлива и получения более высоких температур в зоне горна и заплечиков прибегают к подогреву дутья до 500—850°.

Горячее дутье введено в доменный процесс в 1820 г.; вдуваемый в домну воздух подогревали в чугунных трубах, проходивших через топки, в которых сжигался каменный уголь. Несмотря на большой расход топлива на подогрев воздуха, доменный процесс в целом стал требовать меньше горючего, чем при холодном дутье.

В 1832 г. для подогрева воздуха начали применять доменный газ (как топливо), используя таким образом теплотворную способность входящих в состав этих газов окиси углерода и водорода.

С 1857 г. для подогрева вдуваемого в доменные печи воздуха начали применять воздухоподогреватели с кирпичной насадкой.

Схема устройства воздухоподогревателя представлена на фиг. 9. Сжигаемый воздухоподогревателем газ впускают через отверстие 1, а через отверстие 2 впускают воздух; отверстие 3 служит для выхода продуктов сгорания; отверстие 4 — для впуска холодного воздуха, а отверстие 5 — для выхода подогретого воздуха.

Во время нагрева воздухоподогревателя (каупера) отверстия 5 и 4 остаются закрытыми; газ подводится к отверстию 1, смешивается с воздухом и сгорает: продукты сгорания поднимаются по широкому каналу, опускаются но мелким выложенным огнеупорным кирпичом каналам насадки и уходят через отверстие 3 в дымоход.

Когда кирпичная насадка воздухоподогревателя нагрета до 800—1000°, впуск доменного газа прекращается; отверстия 1,2 и 3 закрывают, открывают отверстия 4 и 5. Через отверстие 4 поступает воздух, который, проходя через каналы, нагревается до 500—850° и через отверстие 5 направляется к фурмам доменной печи.

Для нормальной работы доменной печи необходимо иметь три одновременно действующих воздухоподогревателя. Переключение воздухоподогревателей производится примерно через час. Высота воздухоподогревателей доходит до 40 м, диаметр — до 8 м.

В настоящее время имеется тенденция к применению дутья, обогащенного кислородом. Применение обогащенного кислородом дутья повышает производительность домны, уменьшает расход топлива на единицу веса выплавляемого чугуна, уменьшает количество азота в доменных газах и, как следствие, повышает их теплотворную способность, допускает применение низкосортного топлива и облегчает выплавку высококремнистых и высокомарганцевых чугунов.

Продукты доменного производства.

Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун. Основным продуктом доменного производства является чугун. Различают следующие сорта чугуна.

1. Литейный, идущий на чугунные отливки после переплавки его в вагранках. Литейный чугун серого цвета и мягок. Углерод, входящий в состав этого чугуна, находится преимущественно в свободном состоянии — в виде графита.

Так как примесь кремния к чугуну способствует выделению углерода в виде графита, то для получения литейного чугуна содержание кремния в нем должно быть от 1,25 до 4,25%, а количество марганца, препятствующего выделению углерода в форме графита, допускается обычно не более 1,30%. Для получения кремнистого чугуна необходимо вести процесс выплавки при горячем ходе печи.

2. Передельный чугун, идущий на переработку в сталь.

а) Мартеновский чугун, служащий для получения стали в пламенных регенераторных печах, содержит от 1,5 до 3,51% марганца и от 0,30 до 1,5% кремния; получается он при среднегорячем ходе печи.

б) Бессемеровский чугун, идущий на изготовление стали в конвертерах, содержит кремния от 0,9 до 2,0% и марганца от 0,6 до 1,5%; получается он при горячем ходе печи.

в) Томасовский чугун, идущий на переплавку в сталь в томасовских конвертерах; основной примесью в нем является фосфор — до 2,0%; марганца не более 1,3%; кремния около 0,5%.

3. Специальные чугуны (предназначаются для раскисления стали).

Из всех сортов чугуна наиболее дорогими являются специальные чугуны, так как получение их требует наибольшего расхода горючего.

Химический состав чугунов приведен в табл. 1

Шлак. Доменный шлак представляет собой сплав пустой породы с флюсом и золой кокса.

По составу шлаки разделяют на кислые и основные; первые содержат больше кремнезема и меньше извести, чем вторые.

Основные шлаки применяют в цементном производстве и при изготовлении кирпича.

Для приготовления цемента измельченный шлак смешивают с известью, спрессовывают в кирпичи, обжигают и затем тонко измельчают; полученная таким образом порошкообразная масса является готовым цементом.

Для производства кирпичей тонко измельченный шлак смешивают с известковым молоком. Из полученного теста формуют кирпичи; сформованный кирпич окончательно затвердевает на воздухе и идет в употребление без обжига.

Доменный газ. В состав доменного газа входит 8 — 16% СО2; 26 — 32% СО; 0,1 — 4,5% Н2; 0,2 — 0,4% СН4 и 56 — 63% N.

В связи с большим количеством входящих в состав доменного газа горючих веществ колошниковые газы применяют на металлургических заводах в качестве топлива.

Так как газы, выходящие из доменных печей, увлекают за собой частицы пыли, то перед использованием их в качестве горючего их подвергают очистке. Использование неочищенного доменного газа в воздухоподогревателях ведет к быстрому зарастанию ячеек и снижению к. п. д. воздухоподогревателей. Использование неочищенных доменных газов в двигателях внутреннего сгорания совершенно нецелесообразно, так как ведет к быстрой порче двигателей.

Материальный и тепловой баланс доменной печи.

В табл. 2 и 3 приводятся примеры материального баланса доменной печи на 1000 кг литейного чугуна и теплового баланса на 1 кг литейного чугуна.

Работа доменной печи.

Выстроенная вновь или подвергнутая капитальному ремонту доменная печь должна быть тщательно высушена. Для этого на лещади устанавливают временные колосники, на которых сжигают дрова или каменный уголь.

После сушки доменную печь начинают загружать топливом, к которому прибавляют постепенно увеличивающиеся порции руды и флюса, доводя таким образом до нормального содержание руды в загрузке.

Смесь сырых материалов, загружаемых в домну, состоящая из руды, флюсов и топлива, носит название шихты. Шихту загружают порциями, называемыми колошами.

Обычно производимая механически загрузка состоит из следующих операций:

1) загрузки вагонеток — скипов сырыми материалами;

2) подъема скипов на колошник домны;

3) опрокидывания скипов в загрузочную воронку;

4) опускания и подъема конусов.

Наклонный подъемник для подачи скипов на колошник домны виден на фиг. 6 справа.

Для правильного ведения доменного процесса необходимо постоянное наблюдение за работой домны, которое в настоящее время осуществляется посредством соответствующих приборов. Наблюдению подвергают температуру

в различных поясах доменной печи, состав и количество доменного газа, объем и температуру дутья. Одновременно ведут весовой учет сырых материалов, а также учет количества получаемого чугуна.

Выпуск шлака и чугуна производят по мере их накопления. Чугун выпускают обычно через 4—5 час., шлак — через 1 — 1,5 час. (в зависимости от качества руды).

Шлак выпускают или в ковш, в котором его отвозят в отвал, или же из ковша заливается в бассейн с водой, где шлак гранулируется.

Чугун из ковша разливают в непрерывно движущиеся формы. Движение форм может происходить по принципу конвейера.

Залитый в формы чугун охлаждается, формы опрокидываются, и чугун попадает непосредственно в вагоны. Все эти операции механизированы и автоматизированы.

На фиг. 10 представлена схема устройства разливочной машины: из ковша 1 жидкий чугун заливают в движущиеся на транспортере формы 2. У конца 3 транспортера остывший чугун выпадает из форм непосредственно в вагон 4.

Формы перед заливкой чугуна обрызгивают известковым молоком; вода, испаряясь, охлаждает формы, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет от прилипания к форме расплавленного чугуна.

Для хранения поступающего из домны жидкого чугуна, предназначенного к переделу в сталь, его сливают в ковши большой емкости, называемые смесителями — миксерами. На фиг. 11 показан миксер цилиндрической формы. Из ковша 1 чугун поступает в миксер 2, который поворачивают при помощи гидравлического цилиндра 3. Ковш 4 принимает чугун из миксера. Миксер делают из клепаного железа и футеруют огнеупорным материалом. Емкость миксеров достигает 2000 т. В миксерах большой емкости чугун остывает весьма медленно. Для поддержания чугуна в жидком состоянии миксеры иногда подогревают с помощью доменного газа или газа коксовальных печей.

При хранении в миксерах чугун, выпускаемый из доменных печей в разное время, смешивается. Так как химический состав чугуна, выпускаемого из домны в разное время, не всегда одинаков, чугун постоянного состава получают выдерживая его в миксерах. Это очень важно для облегчения процессов передела чугуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количества марганца чугун во время длительной выдержки в миксерах теряет часть серы, что улучшает его качество. Марганец, вступая в реакцию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак. Производительность современной доменной печи достигает 1500 т и более в сутки. Время пребывания шихты в печи или переработки сырья в чугун колеблется в пределах от 6 до 10 час.

Коэфициент использования объема доменной печи. Работу доменной печи как со стороны технической, так и экономической можно в целом охарактеризовать коэфициентом использования объема. Коэфициентом использования объема называют величину полезного объема печи в м6, приходящегося на 1 т суточной производительности домны.

В настоящее время коэфициент использования достигает приблизительно 0,65.

Коэфициенты использования являются характерными для данной домны лишь при условии равенства технико-экономических показателей, если не учитывать размеры домны, Некоторые средние экономические показатели для доменных печей разного объема, находящихся в одинаковых условиях, приведены в табл. 4. Из данных этой таблицы видно, что экономически выгодно строить доменные печи больших размеров.

Приведенные данные объясняют, почему наша металлургия стала на путь строительства крупных доменных печей.

Доменное производство чугуна в России всегда стояло на большой высоте. В XVIII в. сибирские домны были самыми большими и лучшими в Европе. На исходе XVIII в. России принадлежали мировые рекорды не только по размерам, выработки, но и по экономическим показателям.

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Горение топлива и образование восстановителей

Горение углерода топлива происходит в нижней части печи при взаимодействии воздуха при температуре 1000-1300 ºС с коксом:

С + О2 = СО2 .

Образующийся углекислый газ поднимается к раскаленному коксу и взаимодействует с ним по реакции с образованием восстановителя СО

:

СО2 + С = 2СО.

Восстановитель СО в присутствии железа разлагается по реакции с образованием атомарного сажистого восстановителя С

:

2СО = С + СО2.