ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

Доменная печь работает по принципу противотока. Шихтовые материалы – агломерат, кокс и др. – загружают сверху при помощи засыпного (загрузочного) аппарата. Навстречу опускающимся материалам снизу вверх движется поток горячих газов, образующихся при сгорании топлива (кокса), а также природного газа.

В доменной печи протекают следующие основные процессы.

Восстановление железа. Этот процесс происходит последовательно от высших окислов к низшим и далее к чистому металлу (принцип А.А. Байкова): Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – FeO – Fe *.

Главными восстановителями железа в доменной печи являются окись углерода и твердый углерод кокса. Некоторое количество железа восстанавливается водородом.

* Восстановление в две стадии Fe₂O₃ – Fe₃O₄ – Fe происходит при температурах ниже 570º С и в доменной печи не получает развития.

Восстановление окисью углерода называется косвенным (непрямым) восстановлением и происходит по реакциям

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + Q;

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ - Q;

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q.

Восстановление Fe₂O₃ начинается при сравнительно низких температурах (400-500º С) в верхней части шахты печи. По мере опускания рудных материалов повышаются температура и содержание СО в доменных газах; при этом создаются условия для окончательного восстановления железа. Эти процессы заканчиваются в нижней части шахты печи при температурах около 900-950º С.

Одновременно в шахте печи происходит также косвенное восстановление окислов железа водородом по реакциям, аналогичным реакциям восстановления окисью углерода (например, 3Fe₂O₃ + Н₂ = 2Fe₃O₄ + Н₂О и т. д.).

Значение косвенного восстановления очень велико. В зависимости от условий работы печи окисью углерода СО и водородом восстанавливается 60-80% всего железа. Остальная часть железа восстанавливается твердым углеродом.

Восстановление твердым углеродом называется прямым восстановлением. Оно происходит при температурах выше 950-1000º С (зона распара печи) по реакции FeO + C = Fe + CO – Q.

Следует отметить, что эта реакция отражает лишь конечный результат процесса прямого восстановления, который протекает в две стадии:

FeO + CO = Fe + CO₂ + Q

CO₂ + C_кокса = 2CO₂ – Q

_____________________________________________________________________

FeO + C_кокса = Fe + CO₂ – Q

Таким образом, при прямом восстановлении расходуется только углерод кокса, хотя реагентом, взаимодействующим с FeO, является окись углерода СО. Непосредственное восстановление окислов железа при контакте с углеродом кокса практически не происходит. В прямом восстановлении могут также участвовать водород и сажистый углерод.

Значение прямого восстановления обосновал акад. М.А. Павлов, доказавший ошибочность ранее общепризнанной теории французского металлурга Грюнера. По Грюнеру, восстановление железа должно происходить только косвенно (так называемый идеальный ход). М.А. Павлов установил, что наиболее экономичная работа печи (с наименьшим расходом кокса) может быть обеспечена, когда происходит как косвенное, так и прямое восстановление железа. Оптимальное соотношение между прямым и косвенным восстановлением зависит от температуры воздушного дутья, количества используемого природного газа и других факторов.

Науглероживание железа. Восстановление железа начинается при 400-500

º С и заканчивается при 1300-1400ºС (в распаре печи). При этих температурах железо (T пл. = 1539º С) находится в твердом состоянии в виде пористой губчатой массы.

Уже в шахте доменной печи при температурах выше 400-500º С наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание за счет окиси углерода СО по реакции 3Fe + 2CO = Fe₃ C + CO₂ + Q*.

Карбид железа Fe₃С хорошо растворяется в твердом железе и постепенно образуется сплав железа с углеродом. С увеличением содержания углерода температура плавления сплава значительно понижается и достигает минимального значения 1147º С при 4,3%. В зонах печи с высокими температурами – обычно в нижней части шахты – начинается плавление сплава. Жидкий сплав – чугун, стекая вниз, омывает куски раскаленного кокса и дополнительно интенсивно науглероживается. В нем также растворяются восстановленный марганец, кремний, сера и другие примеси. Конечный состав чугуна устанавливается в горне. При этом большое значение имеют состав, свойства и количество шлака.

Восстановление других элементов. В доменную печь с шихтовыми материалами попадают марганец, кремний, сера и другие элементы в виде различных химических соединений. Эти элементы частично или полностью восстанавливаются и входят в состав чугуна, улучшая или ухудшая его свойства.

Постоянными полезными примесями чугуна являются марганец и кремний, вредными – сера и фосфор.

Марганец – постоянная примесь железных руд. При выплавке чугунов с повышенным содержанием марганца в доменную печь загружается марганцовая руда.

Высшие окислы марганца восстанавливаются до закиси марганца MnO окисью углерода, аналогично окислам железа: MnO₂ → Mn₂O₃ → Mn₃O₄ → MnO. Закись марганца восстанавливается твердым углеродом по реакции MnO + C = Mn + CO – Q.

Эта реакция протекает при температурах выше 1100º С с поглощением тепла. Поэтому для восстановления марганца требуется увеличить расход кокса и температуру дутья. Например, при выплавке зеркального чугуна с 10-25% Mn расход кокса увеличивается в 2-2,5 раза. Значительная часть MnO находится в виде силикатов, из которых может быть выделена известью.

Таким образом, дополнительным условием для увеличения степени восстановления марганца является достаточное количество извести CaO в шлаке, т.е. его повышенная основность.

Кремний находится в пустой породе руды и в золе кокса в виде свободного кремнезема SiO₂ или в виде силикатов (SiO₂· 2СaO и др.).

Восстановление кремния происходит из кремнезема SiO₂ по реакции SiO₂ + 2С = Si + 2СО – Q **.

____________________

* Конечная (итоговая) реакция процесса науглероживания, протекающего в две стадии.

** Итоговая реакция. Восстановление кремния происходит в две стадии: SiO₂ → SiO → Si.

По-видимому, кремний восстанавливается из SiO₂ и карбидом железа Fe₃C.

Эта реакция протекает с поглощением тепла при температурах не ниже 1450 С. Поэтому для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния необходимо значительно увеличивать расход кокса и применять высокотемпературное дутье, обогащенное кислородом. Для увеличения количества свободного кремнезема в шлаке необходимо уменьшать в нем содержание извести CaО, т.е. понижать его основность.

Другие полезные примеси – никель, ванадий, титан и т.д. – попадают в доменную печь в виде примесей железной руды. При доменной плавке никель восстанавливается и переходит в чугун полностью, хром – на 85-95%, ванадий – на 70-80%.

Фосфор – вредная примесь железных руд находится в них главным образом в виде P₂O₅ · 3СaO. Восстановление фосфора происходит окисью углерода СО, водородом, а также твердым углеродом. Весь фосфор, внесенный шихтой, восстанавливается и переходит в чугун практически полностью.

Сера – особенно вредная примесь в чугуне (а также в стали). Основное количество серы вносит кокс, часть – железная руда, агломерат, окатыши. В доменной печи 10-20% серы удаляется в виде соединений. Остальная часть серы переходит в чугун и в шлак в виде сульфидов FeS, CaS и др. Сульфид железа FeS хорошо растворяется в чугуне.

В условиях доменной плавки основным способом десульфурации, т.е. удаления серы из металла, является образование сульфида кальция CaS по реакции FeS + CaO = FeO + CaO + Q.

Сульфид кальция CaS нерастворим в чугуне и находится в шлаке. Наиболее интенсивно эта реакция протекает при прохождении капель чугуна через слой шлака.

Из этой реакции следует, что одним из основных условий удаления серы из металла является достаточное количество извести CaO в шлаке. Удалению серы способствует высокая температура в горне; с нагревом уменьшается вязкость шлака, что улучшает диффузию сульфидов и способствует восстановлению FeO.

Часть серы удаляется с помощью магнезии MgO (всегда содержащейся в шлаке), а также марганца по реакциям FeS + MgO = FeO + MgS и FeS + Mn = Fe + MnS.

Сульфид магния MgS нерастворим в металле, а сульфид марганца MnS растворяется незначительно. Широкое распространение получило внедоменное удаление серы из чугуна. При выдержке его в ковшах-чугуновозах и в миксере часть серы может переходить из металла в шлак в виде сульфида марганца MnS, так как растворимость этого соединения в металле при понижении температуры уменьшается. Такой способ дает хорошие результаты при содержании в чугуне более 2% Mn.

Одним из опробованных в промышленных масштабах способов внедоменного удаления серы является обработка чугуна в выпускном желобе или в чугуновозе содой NaCO₃ (1% от массы чугуна). Сера удаляется по реакции FeS + NaCO₃ = FeO + Na₂S + CO_2. Образующийся при этом сернистый натрий Na₂S переходит в шлак. В настоящее время проводят исследование работы по изысканию других недефицитных и дешевых реагентов.

Шлакообразование начинается примерно в распаре печи. Первичный шлак образуется в результате сплавления CaO, SiO_2, Al₂O₃ и других окислов, находящихся в составе флюса и пустой породы руды. При определенных соотношениях по массе эти тугоплавкие окислы могут образовывать легкоплавкие смеси – сплавы с Т пл = 1150-1200˚ С. Стекая вниз и накапливаясь в горне, шлак существенно изменяет свой состав. В результате взаимодействия с расплавленным чугуном и остатками несгоревшего кокса в шлаке восстанавливаются окислы железа и марганца, в нем растворяются FeS, MnS, зола кокса и т.д. Химический состав шлака определяет состав чугуна и поэтому при выплавке передельных, литейных и других чугунов всегда подбирают шлак соответствующего состава. Типовой состав шлака: 40-50% CaO; 38-40% SiO₂; 7-10% Al₂O_3.

Одна из важнейших характеристик шлака – его основность, т.е. отношение содержания основных окислов к содержанию кислотных окислов. В заводской практике основность нередко определяется упрощенно, как О_ш = %(CaO) / %( SiO₂).

При выплавке разных чугунов и ферросплавов ее значение колеблется в пределах 0,9-1,4.

Как уже отмечалось, с увеличением основности шлака улучшаются удаление серы и восстановление марганца; для восстановления кремния основность должна быть уменьшена. В сложных физико-химических процессах взаимодействие шлака с чугуном, коксом и т.п. большое значение имеет не только состав шлака, но и его количество, вязкость и другие свойства, а также температура в горне печи.

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Расплавленный чугун выпускают через одне-две чугунные летки по 10-18 раз в сутки. В ковшах-чугуновозах емкостью 80-100т его по железнодорожным путям подают либо в сталеплавильный цех для передела в сталь, либо на разливочную машину. В первом случае чугун сливают в миксеры (копильники) емкостью до 2000т, отапливаемые газом. При выдержке в миксере выравниваются химический состав и температура чугуна, происходит дополнительное удаление серы.

Разливочная машина представляет собой конвейер с укрепленными на нем формами (мульдами); в них получают небольшие слитки – чугунные чушки (до 55 кг), которые направляют на другие заводы.

Чугуны и ферросплавы. В доменных печах выплавляют передельные и литейные чугуны, а также некоторые ферросплавы.

Передельные чугуны по ГОСТ 805-69 выплавляют трех видов: 1 – коксовый М1, М2, М3; Б1, Б2; 2 – фосфористый МФ1, МФ2, МФ3; 3 – высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВК3.

По содержанию вредных примесей – фосфора и серы – чугуны делятся на классы А, Б и т.д. по фосфору и на категории I,II и т.д. по сере.

Наиболее распространенные чугуны М1, М2, М3 содержат 3,8-4,4% C, 0,5-1,4% Si, 0,5-1,5% Mn, 0,15-0,3% P, 0,02-0,06% S. Чугуны этих марок применяют для выплавки стали мартеновским и кислородно-конверторным способами. Чугуны марок Б1, Б2, содержащие фосфора<=0,06% (класс А) и серы <=0,04% (категория III), используют для передела на сталь и бессемеровским способом. Фосфористые чугуны МФ1, МФ2 и МФ3 содержат 1-2% фосфора, их переделывают в сталь в мартеновских качающихся печах. Высококачественные чугуны ПВК1, ПВК2, ПВК3 имеют минимальное содержание вредных примесей (например, класс А<=0,02% Р, категория I<=0,015% S) и используется для выплавки качественных сталей в электродуговых и других печах.

Литейные чугуны ЛКО – ЛК5 применяют для получения литых деталей. Обычные литейные чугуны содержат 0,1-0,3% P, для художественного литья применяют фосфористые чугуны, содержащие до 1,2% P.

Доменные ферросплав: зеркальные чугуны ЗЧ1, ЗЧ2, ЗЧ3 содержат 10-25% Mn, ферромарганец Mn6, Mn7 70-75% Mn, доменный ферросилиций Си10, Си15 9-13% Si (иногда больше) и до 3% Mn. Эти сплавы применяют при выплавке сталей для раскисления и легирования.

В доменных печах из руд некоторых месторождений выплавляют также природнолегированные чугуны, содержащие хром, ванадий, никель и т.д.

Доменный шлак – побочный продукт плавки – по мере его накопления выпускают в расплавленном состоянии через шлаковые летки в ковши-шлаковозы емкостью 30т, транспортируемые по железнодорожным путям. Еще сравнительно недавно шлаки направляли в отвал. В настоящее время шлак все шире используют для получения строительных материалов.

Широкое применение нашла мокрая грануляция шлаков: при выливании жидкого шлака в воду он превращается в мелкозернистый материал. Гранулированный шлак используют для производства цемента, шлаковых строительных кирпичей и блоков. Из доменного шлака получают также щебень, литые изделия и т.д.

Доменный или колошниковый газ выделяется в больших количествах и непрерывно удаляется через газоотводы в колошнике из доменной печи.

При сгорании 1т кокса образуется около 5000 м³ газа. Таким образом, в крупных печах объемом 3000-3200 м³ в сутки выделяется примерно 15-17 млн. м³ газа. Он содержит значительное количество горючих составляющих, его теплотворная способность около 850-950 кал / м³. После очистки от пыли (частиц руды, топлива, флюсов) доменный газ используют как топливо для нагрева воздухонагревателей доменных печей, водяных и паровых котлов. В смеси с более высококалорийным коксовым или природным газами его применяют также для отопления мартеновских и нагревательных печей. Колошниковая пыль содержит 45-50% Fe и ее используют при агломерации.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА

Основными показателями работы доменной печи являются ее производительность и расход кокса на 1т чугуна.

Коэффициент использования полезного объема печи определяется как отношение полезного объема печи V (в м³) к ее среднесуточной производительности P в тоннах выплавляемого передельного чугуна:

к.и.п.о. = V/P.

Чем меньше к.и.п.о., чем выше производительность печи. В нашей стране для большинства печей к.и.п.о. равен 0.5-0.7, по отдельным печам 0.4-0.45.

Удельный расход кокса в отечественной металлургии в среднем около 550 кг на 1т передельного чугуна, на передовых заводах ниже 450 кг. Это важный экономический показатель, так как стоимость кокса составляет 45-55% стоимости чугуна.

Основными направлениями в совершенствовании доменного производства являются строительство экономически более выгодных крупных печей объемом до 5000 м³, улучшение подготовки сырых материалов к плавке (обогащение, применение офлюсованного агломерата и окатышей), интенсификация доменного процесса путем обогащения дутья кислородом, применение природного газа и т.д. Все большее значение имеет совершенствование систем комплексной механизации и автоматического управления доменным процессом.