Сущность и особенности производства чугуна. Основные пути и направления совершенствования и повышения экономической эффективности т

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. 
 

Восстановление  оксидов железа оксидом углерода 
 

   По  степени убывания кислорода оксиды  железа располагаются в  ряд:  Fe2O3,

Fe3O4 и FeO, содержащие соответственно  30,06; 27,64 и  22,28  %  кислорода.

Из трех оксидов железа, взятых в свободном  состоянии,  наиболее  прочным  в

условиях  рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре  выше

570( С,  является  FeO.  Восстановление  железа  из  его  оксидов   протекает

ступенчато  путем последовательного удаления кислорода  и  в  зависимости  от

температуры может быть изображено двумя схемами: 

   при  температуре выше 570( С

   Fe2O3  ( Fe3O4 ( FeO ( F 

   при  температуре ниже 570( С

   Fe2O3  ( Fe3O4 ( Fe. 

   Ниже 570( С  прочность  FeO  становится  меньше  прочности  Fe3O4  и   она

превращается  в Fe3O4 и Fe.

   В  доменной печи восстановление  железа из его оксидов протекает  в основном

по  первой  схеме,  так  как  уже  через  несколько  минут  после   загрузки

материалов  на колошник они нагреваются до температуры  выше 570(  С.  Большая

половина  кислорода,  связанного  в  оксиды   железа,   отбирается   оксидом

углерода, поэтому основным восстановителем  в доменной  печи  является  оксид

углерода.

   Восстановление  оксидов железа оксидом углерода  при температуре выше  570(

С идет по реакциям:

   3Fe2O3 + СО ( 2Fe3O4 + СО2 + 37,137 МДж,

   Fe2O3 + mCO ( 3FeO + (m – 1)CO + СО2 – 20,892 МДж,

   FeO + nCO ( Fe + (n – 1)CO + СО2 + 13,607 МДж. 
 

                       2.4 Образование чугуна и шлака 
 
 

Науглераживание железа 
 

   Восстановленное  в доменной печи из руды  железо поглощает углерод и  другие

элементы,  образуя  чугун.  Процесс  науглераживания  железа  начинается   с

момента его появления в виде твердой  губки  в  зоне  умеренных  температур.

Механизм  науглераживания железа сводится к  следующему.  Свежевосстановленное

железо  служит катализатором реакций разложения оксида углерода  на  сажистый

углерод и диоксид углерода. Эта  реакция  протекает  на  поверхности  губки.

Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод  взаимодействует

с атомами  железа  и  образует  карбиды  железа.  Науглераживание  губчатого

железа  уже заметно протекает при 400  –  500(  С.  По  мере  науглераживания

железа  температура плавления его понижается.  Если  чистое  железо  плавится