Производство чугуна

1.   концентрат  – продукт, в котором содержится  большая часть извлекаемого металла;

2.   хвосты  – отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное  количество металла;

3.   промежуточный  продукт, в котором содержание  металла больше, чем в хвостах и меньше, чем в концентрате. Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости  от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может  изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов обогащения руд:

1.   рудоотборка,  основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

2.   промывка, основанная на разной размываемости  кусков рудного минерала  и пустой породы;

3.   гравитационное  обогащение – разделение в  жидкой среде рудных минералов  и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

4.   флотация  – метод обогащения, основанный  на различии физико-механических  свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

5.   магнитная  сепарация (самый распространенный  метод обогащения), основанная на  различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

 

1.4 Окуксование  руд

Окуксованием  железных руд называются процессы превращения  мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения  хода металлургических процессов в  печах различного типа для получения металлов из руд. Окуксование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. В металлургии черных металлов окуксованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах.

В доменном производстве окуксованием железорудного сырья достигают:

1.      уменьшения выноса газовым потоком  мелких фракций руды из доменной печи;

2.      повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов;

3.      улучшения использования тепловой энергии и восстановительной способности газового потока;

4.      улучшения протекания процессов  восстановления, шлакообразования  и перевода серы в шлак.

В итоге окуксование  сырья позволяет значительно  увеличить производительность доменных печей, сократить расход кокса и повысить качество чугуна.

Существует  три метода окуксования руд и концентратов:

1.   агломерация  (процесс спекания мелких руд  и концентратов путем сжигания  топлива в слое спекаемого  материала или подвода высокотемпературного тепла извне);

2.   окатывание (процесс получения из концентрата  сырых шаров диаметром 10 –  25 мм и последующего их обжига  при температуре 1200 – 1350° С);

3.   брикетирование (процесс прессования пылеватых  руд и концентратов в куски  одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ).

В черной металлургии  наибольшее распространение получила агломерация и окатывание руд.

 

2. Доменный  процесс

2.1 Общая  схема и сущность доменного процесса

Доменный процесс  представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении  доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для  осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа (см. приложение 2). Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет  круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через  колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 – 1200° С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500° С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000° С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450° С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.

Шихтовые материалы  загружают в доменную печь при  помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются  на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO ® Fe.

Свежевосстановленное  железо заметно науглераживается еще  в твердом состоянии. По мере науглераживания  температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100° С восстановление железа почти заканчивается и  начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150° С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным  коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря  различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун  выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).

Все перечисленные  процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

 

2.2 Распределение  и движение газов и шихты  в доменной печи

Газовый поток.

Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются  гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.

Газы в доменной печи движутся через столь шихты  снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24 – 26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной.

Для обеспечения  ровного схода шихты газовый  поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем  количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.

В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение  газового потока по сечению столба шихты, является  сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи

Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром.

По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры.

Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы на колошник подают специальными тележками – скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует  объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.

 

Движение шихты в доменной печи.

В доменной печи шихта опускается под действием  своей массы в пространство, освобождающееся  в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение  углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. 44 – 52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11 – 16 % - на прямое восстановление, 25 – 35 % - на плавление чугуна и шлака и 5 – 15 % - на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.

Периферийное  расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты  на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника  составляет 90 – 140, а в центре 70 – 120 мм/мин. Длительность  пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.

Повышение скорости схода шихты на периферии колошника объясняется и другими причинами, главной из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии.

В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы, печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

 

2.3 Восстановление  оксидов металлов.

Физико-химические основы восстановительных процессов

Одним из условий  получения чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых входят в состав чугуна. Процесс отнятия кислорода от оксида и получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода называется восстановлением. Наряду с восстановлением  протекает окисление вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.

Восстановительные процессы сопровождаются выделением или  поглощением тепла. Химическая прочность  оксида определяется силами химической связи данного элемента с кислородом.