Теоретические основы доменной плавки

 

1.2.5 Горн  печи

 

Горн условно подразделяют на две части - верхнюю фурменную зону, где сгорает кокс, и нижнюю - металлоприемник, служащий для накопления жидкого чугуна и шлака, и где расположены чугунные и шлаковые летки. Высота горна (расстояние от оси чугунной летки до заплечиков) на современных печах составляет 3,2-3,9 м.

Чугунные летки располагают на 600-1800 мм выше лещади, а находящаяся ниже леток часть металлоприемника заполнена несливаемым или "мертвым" слоем жидкого чугуна; этот слой необходим для предотвращения размывания лещади потоками чугуна в горне и предохранения ее от воздействия высоких температур.

Летка представляет собой сквозной канал в кладке горна и рамы; этот канал шириной 250-300 и высотой 400-500 мм заполнен огнеупорной леточной массой. Для выпуска чугуна в массе просверливают отверстие диаметром 50—80 мм с помощью сверлильной машины, вращающей бур. После выпуска чугуна канал летки забивают огнеупорной массой с помощью электропушки.

Шлаковые летки располагают выше оси чугунных леток на 1,4-2,0 м. На печах объемом 2700 м3 и менее имеется по две шлаковых летки, служащих для выпуска так называемого «верхнего» шлака; кроме того, часть шлака вытекает вместе с выпускаемым чугуном через чугунные летки ("нижний" шлак).

Шлаковые летки обрамляют арматурой, называемой шлаковым прибором, который помещают в проем горновых холодильников и крепят к кожуху печи. Он состоит из телескопически соединенных элементов: медной сварной или штампованной полой охлаждаемой водой фурмы диаметром 50-70 мм, литого медного полого холодильника (шлаковой амбразуры), чугунного холодильника с залитым спиральным змеевиком для охлаждающей воды, чугунной водоохлаждаемой амбразуры аналогичной конструкции и рамы, при помощи которой прибор крепится к кожуху печи. Все элементы прибора имеют коническую форму, что облегчает их замену при повреждении. Отверстие шлаковой фурмы закрывают металлической пробкой при помощи специального механического стопора. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной массой, в которой прорезают отверстие для выхода шлака из печи.

В верхней части горна на расстоянии 2700-3500 мм от оси чугунной летки горна по его окружности с равными промежутками устанавливают воздушные фурмы, через которые в печь поступает нагретое до 1100-1300°С дутье, природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Комплекс устройств, служащих для подвода дутья в горн из кольцевого воздухопровода, называют фурменным прибором. Основная часть прибора - медная пустотелая воздушная фурма с внутренним диаметром 140-190 мм, охлаждаемая водой. Фурма выступает из кладки внутрь печи на расстояние 300-500 мм.

 

1.2.6 Колошниковое устройство

 

Колошниковое устройство представляет собой многоэтажную металлическую конструкцию, служащую для поддержания комплекса механизмов, предназначенных для загрузки шихты в доменную печи (засыпной аппарат и др.), отвода газов (газоотводы) и для монтажа оборудования.

Для отвода доменного газа в куполе печи имеются отверстия и идущие от них вверх газоотводы. Обычно число газоотводов равно четырем, их соединяют вначале симметрично попарно, а затем в один газоход, идущий вниз к пылеуловителям, расположенным на нулевой отметке. От верхних точек газоотводов отходят вертикальные свечи (трубы), заканчивающиеся атмосферным клапаном, который открывается, выпуская газ в атмосферу при превышении давления в печи сверх допустимого. Число свечей с клапанами колеблется от двух до четырех, они служат также для выпуска газа при остановках печи.

Засыпной аппарат предназначен для загрузки шихты, необходимого ее распределения по сечению колошника, т.е. печи и для обеспечения герметичности печи в процессе загрузки, т.е. для предотвращения попадания в печь воздуха, ведущего к возможности взрыва, и предотвращения выделения печного газа в атмосферу.

Большая часть доменных печей оборудована двухконусными засыпными аппаратами, а новые печи сооружают с засыпными аппаратами новой конструкции - бесконусными. Слабым местом первых являются стыки конусов с соответствующими воронками. Здесь в связи с повышенным давлением в печи просачивается доменный газ и содержащаяся в нем пыль вызывает абразивный износ металла. Поэтому стойкость конусов низкая, малый конус заменяют почти через каждые полгода, а большой через 1,5-2,5г.

Недостатком второй конструкции считают то, что сложный механизм вращения лотка расположен в куполе печи и для его охлаждения и защиты от горячих колошниковых газов требуется расходовать много (10-30 тыс.м3/ч) азота или очищенного охлажденного доменного газа; кроме этого раз в 3-4 месяца необходима кратковременная остановка печи для замены резиновых прокладок газоотсекающих клапанов.

 

1.3 Доменный  процесс

 

1.3.1 Загрузка  шихты и распределение материалов  на колошнике

 

В современной доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4-6 ч, а газов - около 3-12 с. Высокие показатели плавки могут быть получены при хорошем распределении газов по сечению печи. Только в этом случае газы в максимальной степени отдадут физическое тепло материалам и наиболее полно будет использована их восстановительная способность. Естественно, что распределение газового потока по сечению печи зависит от сопротивления столба шихты, через которую проходят газы. Учитывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим сопротивлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи с учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Если этого не достигается, то основная часть газов будет двигаться по зонам с меньшим сопротивлением шихты и покидать печь с высокой температурой, т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с неполностью использованной восстановительной способности. В то же время в участках с большим сопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо нагретой и восстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней части печи, т.е. увеличения расхода кокса.

При загрузке прежде всего учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стремятся двигаться у стен. Поэтому целесообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре - толще слои кокса, что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно.

Для управления распределением агломерата и кокса по сечению колошника применяют следующие приемы: изменение порядка набора скипов агломерата и кокса на большом конусе, использование раздельных и расщепленных подач, изменение массы подачи, ступенчатое изменение уровня засыпи на колошнике, неполное опускание большого конуса при выгрузке подачи в печь, установку подвижных плит у стен колошника.

Для повышения производительности печи и снижения расхода кокса авторы [4] предлагают способ загрузки, заключающийся в создании необходимого по технологии профиля шихты по радиусу колошника. Способ загрузки доменной печи включает многопоточную укладку шихтовых материалов на колошник, изменение радиуса укладки гребня шихтовых материалов на колошнике по ступеням путем изменения скорости вращения роторного распределителя после выгрузки заданного веса шихтовых материалов на предыдущей ступени колошника. Для этого определяют количество электричества, потребленное приводом роторного распределителя на распределение шихтовых материалов (Q, кулон), удельные затраты количества электричества на распределение 1 кг шихтовых материалов (W, кулон/кг) и вычисляют на заданной ступени колошника заданный вес загружаемых шихтовых материалов (P, кг) по выражению

P = Q/W.

 

1.3.2 Распределение температур и удаление влаги

 

Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем, основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна и шлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации теплопотерь является тепло, выделяющееся в верхней части горна при сгорании топлива (кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефтепродуктов и угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горна вверх, отдавая тепло опускающимся вниз холодным шихтовым материалам, нагревая их, а сами охлаждаются. Поэтому по мере отдаления от горна к верху температура в печи понижается с 1400-1600 до 200-350°С на выходе из колошника.

Вместе с тем, на одном и том же горизонте печи (поперечном сечении) температура не является постоянной и изменяется в довольно широких пределах. Это объясняется тем, что поднимающиеся горячие газы движутся по сечению печи неравномерно; максимальное количество газов проходит в участках поперечного сечения с меньшим сопротивлением шихты и здесь наблюдаются наибольшие температуры. При изменении режима движения газов распределение температур по высоте и сечению печи может меняться; так усиление периферийного потока газов вызовет увеличение температур у стен печи, а увеличение осевого потока - продвижение вверх зоны высоких температур в осевой части печи и наоборот.

Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления не требуется дополнительного пила, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится в соединении с Fe2О3 (в буром железняке) или с А12О3 (в каолинитах А12О3 ∙ 2SiО2 ∙ 2Н2О). Эти соединения разлагаются при           400-1000°С с поглощением тепла. Однако в связи с тем что в настоящее время сырые руды почти не используются, выделение гидратной влаги заметного влияния на ход плавки не оказывает.

 

1.3.3 Процессы восстановления

 

Основная задача доменного процесса - обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов путем их восстановления. Восстановление заключается в отнятии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида с меньшим содержанием кислорода). Его осуществляют с помощью восстановителя - вещества, к которому переходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Таким образом, в процессе восстановления одно вещество теряет кислород (восстанавливается), а другое приобретает его (окисляется).

В соответствии с выявленными академиком А.А.Байковым закономерностями восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим:

 

Fe2О3 - Fe3О4 - FeO - Fe

 

Поскольку при температурах ниже 570°С оксид FeO неустойчив и разлагается (на магнезит и Fe), схема восстановления при температурах ниже 570°С следующая:

 

Fe2О3 - Fe3О4 - Fe

 

Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - косвенным. Реакции косвенного восстановления оксидом углерода следующие:

- при температуре > 570°С

 

3Fe2О3 + CO = 2 Fe3О4 + CО2 + 53 740;                                               (1)

 

Fe3О4 + CO = 3FeO + CО2 - 36 680;                                                          (2)

 

FeO + CO = Fe + CО2 + 16 060;                                                                  (3)

 

- при температуре < 570 °C

 

3Fe2О3  + CO = 2 Fe3О4 + CО2 + 53 740;

 

l/4Fe3О4 + CO = 3/4Fe + CO2 + 2870.                                                        (4)

 

Их характерной особенностью является то, что продуктом реакции всегда является CО2, и то, что они идут без затрат тепла. Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла.

Главное, что отличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а это означает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм.

В целом ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризовать следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900-1000°С, протекают процессы косвенного восстановления газом СО и отчасти водородом. В этой зоне косвенного восстановления все высшие оксиды железа успевают восстановиться до FeO, а часть FeO восстанавливается до железа, причем частицы восстановленного железа обнаруживаются уже в колошнике. Вместе с тем часть FeO восстанавливается до железа прямым путем в зоне высоких температур (> 900-1000°С). При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250°С, когда сформировался шлак, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстановлении получается в твердом виде; частицы железа, восстановившиеся из материалов, находящихся в твердом виде, имеют форму губки.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Степень восстановления железа  составляет 0,99-0,998, а это означает, что 99-99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2-1,0 % переходит в шлак.

При выплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составе агломерата и иногда в составе добавляемых небольших количеств марганцевых руд, а при выплавке ферромарганца в составе марганцевого агломерата или марганцевых руд.

Восстановление марганца из оксидов протекает ступенчато от высших оксидов к низшим:

 

MnO2 - Mn2O3 - Mn3O4 - MnО - Mn

 

Высшие оксиды марганца непрочны и восстанавливаются газом СО при невысоких (200-500°С) температурах в верхней части шахты печи по следующим реакциям косвенного восстановления:

 

2MnO2 + СО = Mn2O3 + СО2 + 227560;                                                    (5)

 

3Mn2O3 + СО = 2Mn3O4 + СО2 + 170770;                                                 (6)

 

Mn3O4 + СО = ЗMnО + СО2 + 52080                                                        (7)

 

Таким образом, восстановление MnO2 до MnО связано с выделением большого количества тепла - около 2870 кДж на 1 кг марганца.

Низший оксид марганца - MnО является химически более прочным и восстанавливается только прямым путем, требуя значительного расхода тепла:

 

MnО + С = Мn + СО - 288290 Дж                                                            (8)