Теоретические основы доменной плавки

Для более полного восстановления марганца необходимы высокие температуры в горне, увеличение поступления тепла в горн и повышенная основность шлака.

Восстановительные условия доменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенный шихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления марганца составляет 55-65 %, остальная часть марганца остается в шлаке в виде MnО. Из сказанного следует, что содержание марганца в чугуне будет в первую очередь определяться его содержанием в шихтовых материалах.

Кремний присутствует в рудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате - в виде силикатов железа и кальция и силикатов промежуточного состава - оливинов СаОх ∙ FeO(2-x) ∙ SiО2. Сродство кремния к кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем по следующей реакции:

 

SiО2 + 2С = Si + 2СО - 636760 Дж                                                            (9)

 

В доменной печи при температурах 1200-12500С уже сформирован жидкий шлак, и поэтому основная часть кремния восстанавливается прямым путем из SiО2, находящегося в шлаке при стекании капель шлака в горн между кусками кокса. Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, является высокая температура в районе горна, а так же кислые шлаки, т.е. содержащие мало СаО, т.к. СаО связывает SiО2. Поскольку в доменной печи основность шлака, определяемая основностью используемого офлюсованного агломерата, является относительно постоянной, количество восстановленного кремния зависит, прежде всего, от температуры в горне и прилегающем к нему объему печи.

Фосфор поступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в виде фосфата 3СаО ∙ Р2О5 и иногда 3FeO ∙ Р2О5 ∙ 8Н2О. Фосфат 3СаО ∙ Р2О5 интенсивно восстанавливается  при температурах 1000-1200°С и более с большой затратой тепла:

 

3СаО ∙ Р2О5 + 5С = 2Р + 3СаО + 5СО - 1634000 Дж,                             (10)

 

причем часть его восстанавливается из шлака.

Фосфат железа менее прочен и восстанавливается при 900-1000°С газом СО и частично углеродом, например:

 

2(3FeO ∙ Р2О5) + 16СО = 3Fe2P + Р + 16 СО2                                                                  (11)

 

Образующиеся при этих реакциях фосфор и фосфид Fe2P активно растворяются в железе, и практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственным способом получения чугуна с низким содержанием фосфора является использование чистых по фосфору рудных материалов.

 

1.3.4 Образование чугуна

 

Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в 
твердом виде, поскольку температура его расплавления 
(1535°С) выше температур, имеющихся в доменной печи; при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в виде твердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяет углерод (науглероживается). Этот процесс получает заметное развитие уже при температурах 400-600°С и заключается в том, что на поверхности губчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО    (2СО = Саж+СОа) и выделяющийся сажистый углерод переходит в железо, образуя раствор Fe + C = [С] или карбид Fe3C:   Fe + 3C=Fe3C

По мере науглероживания температура плавления железа 
понижается (так температура плавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130°С), а само оно опускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа становится равной температуре в печи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2-2,5 % и  температуре около 1200°С) и образуются капли жидкого металла, которые стекают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно - при контакте капель с раскаленным коксом и при контакте расплава с коксом в горне, происходит растворение углерода кокса в металле:   Fe + Скокс = [С]рс.

В движущиеся капли металла и отчасти в еще твердое железо в небольших количествах переходят на разных горизонтах печи другие восстановленные элементы (кремний, марганец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк, хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа с углеродом и другими элементами (чугун) скапливается в горне.

Таким образом, формирование чугуна из твердого восстановленного железа заключается в его науглероживании, расплавлении и растворении в нем других восстановленных элементов (обычно это марганец, кремний, фосфор и сера).

Окончательное содержание углерода в чугуне устанавливается в горне; оно не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава.

Марганец и хром, как карбидообразующие элементы, способствуют повышению содержания углерода в чугуне.

Кремний, фосфор и сера образуют с железом силициды, 
фосфиды и сульфиды, которые, являясь более прочными соединениями, чем карбид железа, разрушают его, способствуя тем самым снижению содержания углерода в чугуне. Увеличение температуры чугуна вызывает повышение содержания углерода в нем.

 

1.3.5 Образование шлака

 

В доменной печи  шлак  образуется  под  действием  высоких  температур  в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов  и флюса,  к которым в  горне  присоединяется  зола  сгоревшего  кокса. Шлакообразующими оксидами являются  SiO2,  CaO,  MgO,  Al2O3, FeO,  MnO,  а  также  сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.

Образованию шлака предшествуют процессы  размягчения  и  спекания  пустой породы и флюса, сопровождающиеся образованием твердых растворов и  различных химических соединений. Эти процессы представляют собой  промежуточное  звено при  переходе  вещества  из  твердого  состояния  в   жидкое.   Чем   больше температурный интервал,  в  котором  протекает  превращение  шлакообразующих компонентов из твердого состояния в жидкое,  тем  большую  часть  по  высоте печи занимает вязкая  масса,  заполняющая  пустоты  между  кусками  кокса  и препятствующая движению и распределению газов. В связи с этим  температурный интервал размягчения шлакообразующих компонентов должен быть по  возможности меньшим.

В процессе шлакообразования различают первичный, промежуточный и конечный шлаки. Первичный шлак  появляется  в  начальной  стадии  шлакообразования  в результате плавления легкоплавких соединений. Первичный шлак, перемещаясь  в зоны с более высокими температурами, нагревается, а  химический  состав  его непрерывно изменяется  вследствие  восстановления  железа  и  марганца  из соответствующих оксидов и растворения в шлаке новых  количеств  CaO  и  MgO, увеличивающих количество шлака.  Конечный  шлак  образуется  в  горне  после растворения  в  шлаке  золы  сгоревшего   кокса   и   остатков   извести и окончательного распределения серы между чугуном и шлаком.

С применением офлюсованного агломерата условия шлакообразования изменяются. Присутствие извести в агломерате  обеспечивает  хороший контакт шлакообразующих оксидов, поэтому их размягчение при нагреве  и  образование первичного шлака протекает в сравнительно не большой зоне  по  высоте  печи, от чего значительно повышается газопроницаемость этой  зоны. Восстановление железа из офлюсованного агломерата протекает интенсивнее  и  равномернее  по сечению, вследствие чего  в  первичном  шлакообразовании  участвует  меньшее количество FeO, а зона начала образования шлака смещается  в  область  более высоких температур.

 

1.3.6 Продукты доменной плавки

 

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун и 
шлак, выпускаемые из доменной печи в огненно-жидком виде, 
и доменный газ. Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ - побочными.

Цель доменного производства состоит в получении чугуна, представляющего собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой. В зависимости от назначения чугуна и от состава проплавляемых шихтовых материалов в нем может содержаться, кроме того, еще хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержание основных элементов (С, Si, Мn, Р, S, Cr, Ni, Сu, As) 
в чугуне регламентируется соответствующим стандартом или техническими условиями.

Состав чугуна, получаемый в ходе доменной плавки, определяется требованиями потребителей и возможностями доменной плавки. Сообразно с этим стремятся подобрать состав шихтовых материалов и технологический режим плавки.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют 
на три основных вида:

1. передельный, предназначенный для дальнейшего передела и сталь;
2. литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;
3. доменные ферросплавы - в основном ферромарганец, 
   используемый в сталеплавильном производстве в качестве 
   добавки в жидкую сталь для ее раскисления и легирования.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна. Он используется в качестве шихтового материала при производстве стали в конвертерах, мартеновских и электродуговых печах.

Передельный чугун в соответствии с существующими стандартами может содержать 0,3-1,2 % Si, 0,15-1,0 (иногда до 1,5 %) Мn и 
делится на три класса по содержанию фосфора (не более 
0,1; 0,2 и 0,3 %) и на пять категорий по содержанию серы 
(не более 0,01; 0,02; 0,03; 0,04 и 0,05 %). С целью экономии дефицитного марганца в настоящее время выплавляют маломарганцовистые чугуны с содержанием марганца 0,1-0,5 %.

Литейный чугун отличается от передельного повышенным 
содержанием кремния и в некоторых марках - фосфора. Фосфор придает металлу хрупкость, поэтому отливки ответственного назначения делают из чугунов с низким содержанием фосфора. Высокофосфористые чугуны используют для получения художественного литья в связи с тем, что жидкий чугун с высоким содержанием фосфора обладает высокой жидкотекучестью и поэтому хорошо заполняет литейные формы самой сложной конфигурации.

К доменным ферросплавам относятся: ферромарганец (70-75 % Мn и более, до 2% Si, 0,33-0,45% Р, до 0,03% S); а также выплавлявшиеся ранее бедный ферросилиций (9-15% Si) и зеркальный чугун (15-25% Мn). В настоящее время последние два ферросплава в доменных печах не выплавляют из-за неэкономичности передела.

Выплавка чугуна в доменных печах неизбежно сопровождается получением значительного количества доменного шлака, являющегося побочным продуктом доменной плавки. Шлак образуется в доменной печи из составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, золы кокса и составляющих флюса, т.е. известняка (в 
основном, это СаО), который вводят в шихту агломерации и иногда добавляют в небольших количествах в доменную печь. Количество шлака определяется степенью обогащения железных руд и требуемой основностью шлака. Чем больше в руде остается пустой породы и чем больше требуемая основность шлака, т.е. чем больше расход известняка, тем выше выход (количество) шлака. Обычно при выплавке передельного и литейного чугунов выход шлака составляет 0,3-0,6 т на 1 т чугуна и иногда более.

Основными составляющими шлака являются оксиды кремния 
(SiО2), кальция (СаО), алюминия (А12Оэ), магния (MgO), а также небольшое количество FeO, МnО, CaS.

Газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть - колошник, называют колошниковым. Он состоит из СО, СН4, Н2, СО, и N2.

 

 

 

 

 

 

2 Исходные данные для расчёта

 

2.1.1. Состав агломерата

Таблица 2.1- Состав агломерата, %

Fe	Mn	P	S	Fe2O3	FeO	MnO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	Прочие
52,48	0,14	0,05	0,02	46,0	26,0	0,18	8,0	4,03	12,64	1,98	0,06	0,11	1,0

2.1.2. Состав железной руды

Таблица 2.2 - Состав железной руды, %

Fe	Mn	P	S	Fe2O3	FeO	MnO	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	SO3	P2O5	Прочие
56,90	0,09	0,02	0,41	80,4	0,8	0,12	8,48	2,98	4,1	0,84	1,03	0,05	1,2

2.1.3 Состав марганцевой руды

Таблица 2.3 - Состав марганцевой руды, %

Fe	Mn	P	Fe2O3	MnO2	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	P2O5	Прочие
3,15	40,0	0,09	4,5	63,5	20,0	5,5	2,1	0,2	0,21	4,99