Теоретические основы доменной плавки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ           5

1 Теоретические  основы доменной плавки      6

1. Сырые материалы и их подготовка      6

1.1.1 Железные  руды        6

1.1.2 Примеси  железных руд       7

1.1.3 Подготовка  железных руд к доменной плавке   8

1.1.4 Флюсы  и отходы производства      9

1.1.5 Топливо                 10

2. Конструкция доменной печи              11
1. Общее описание печи              11

1.2.2 Профиль  печи                13

1.2.3 Фундамент, кожух и холодильники            14

1.2.4 Футеровка  печи               15

1.2.5 Горн  печи                16

1.2.6 Колошниковое устройство             17

1.3 Доменный процесс               18

1.3.1 Загрузка шихты и распределение  материалов на колошнике  18  

1.3.2 Распределение температур и удаление влаги          19

1.3.3 Процессы восстановления              20

1.3.4 Образование чугуна               23

1.3.5 Образование шлака               24

1.3.6 Продукты доменной плавки             25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Среди металлов чёрные металлы и, в первую очередь, железо, которое лежит в основе получения чугуна и стали,  по своему значению занимают особое место. В общем мировом производстве металлов 90 % приходится на производство железа и его сплавов. Объём  производства чугуна и стали является мерилом экономического развития государства.  Преимущественным применением в  самых разнообразных областях техники и в быту чёрные металлы обязаны своим ценными физическими и механическими свойствами, а также широкому распространению в природе железных руд и сравнительной простоте и дешевизне производства чугуна и стали.

Производство чугуна в настоящее время в основном осуществляется доменной плавкой, которая производится в доменных печах. Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная, наибольшая по размерам, доменная печь ежесуточно расходует около 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Доменный процесс является сложным и для правильного его ведения и обеспечения высоких технико-экономических показателей необходимо, чтобы сырье для доменной плавки было высокого качества и поэтому его подготовке уделяется большое внимание. В зависимости от характеристики добываемой руды в настоящее время применяют несколько основных методов подготовки руды, таких как дробление, сортировку, обогащение, усреднение, окускование.

Чугун является исходным материалом для получения стали, которую получают путём переработки чугуна в различных металлургических агрегатах. В настоящее время получил наибольшее распространение, и является доминирующим, мартеновский способ  получения  стали из чугуна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

 

1.1 Сырые материалы и их подготовка

 

Для производства черных металлов применяют различные сырые материалы, являющиеся полезными ископаемыми, или специально приготовленные материалы, а также отходы металлургического производства.

К сырым материалам металлургического производства, прежде всего, относят руды, топливо и флюсы. Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это - горная порода или минеральное вещество, из которого при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения.

Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, содержащимся в них, например железные, медные, алюминиевые и марганцевые или медно-никелевые, медно-кобальт-никелевые и др. Основным сырьевым материалом в производстве чугуна доменной плавки является железорудное сырье.

 

1.1.1 Железные  руды

 

Железо является распространенным элементом в природе. Так, по распространению в земной коре оно занимает четвертое место (4,2 %) после кислорода (49,7 %), кремния (26 %) и алюминия (7,45 %). Железо как составная часть входит почти во все горные породы, однако многие нельзя считать рудами. Железными рудами следует называть горные породы, из которых при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать железо.

Железо, как известно, обладает сравнительно большим сродством к кислороду и в силу этого в земной коре не обнаруживается в самородном виде, а находится главным образом в соединениях с кислородом и двуоксидом углерода.

Из большого числа встречающихся в земной коре железосодержащих минералов промышленное значение имеют минералы, в которых железо в основном представлено магнитным оксидом Fe3О4 (72,4 % Fe), безводным оксидом Fe2О3 (70 % Fe), водными оксидами mFe2О3 ∙ nН2О с различным количеством воды (52,3-62,9 % Fe), карбонатом железа FeCО3 (48,3 % Fe).

Магнитный оксид железа в рудах представлен минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком или магнетитовой рудой. Магнетит Fe3О4 можно рассматривать как соединение FeO ∙ Fe2O3, содержащее 31,04 % FeO и 68,96 % Fe203. Магнитный железняк обычно представлен крепкими, плотными кусковыми рудами. Он содержит обычно 55-60 % Fe (иногда лишь 16-30 % Fe), 0,02-2,5 % S, 0,02-0,7 % Р и чаще всего кислую пустую породу (SiО2, А12О3).

Безводный оксид железа представлен в рудах минералом гематитом. Руды, содержащие в основном гематит, относят обычно к красным железнякам или гематитовым рудам. Красный железняк - это продукт выветривания магнитных железняков, т.е. в значительной мере окисленный магнетит. В нем обычно содержится от 1 до 8 % магнетита.

Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит обычно 55-60 % Fe, а некоторые разновидности - до 69,5 % Fe. В ряде случаев в рудах содержится мало серы и фосфора. Руды бывают кусковые, а иногда пылевидные. Цвет красных железняков колеблется от красного до светло-серого и даже черного, но на фарфоровой пластинке красный железняк всегда дает красную черту. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiО2 и А12О3.

Водные оксиды железа представлены в рудах главным образом минералами лимонитом 2Fe2О3 ∙ ЗН2О и гетитом Fe2О3 ∙ Н20. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками. Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд других типов. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцем. В добываемых рудах содержится 37-55 %, а чаще 37-40 % Fe. Они характеризуются повышенным содержанием фосфора (0,5-1,5 %), иногда в них присутствует в небольшом количестве ванадий (0,03-0,06 %).

Бурый железняк наиболее распространен в земной коре. Обычно он беден и влажен, к тому же трудно поддается обогащению, поэтому его используют сравнительно в небольшом количестве.

Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится 30-40 % железа.

Промышленно используемым является также минерал ильменит FeTiО3, встречающийся в сочетании с магнетитом. Руды, в которых преобладает ильменит, называются титаномагнетитами.

 

1.1.2 Примеси  железных руд

 

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные примеси (тоже в виде соединений), которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.

К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудшением технико-экономических показателей. Правда, серу можно легко удалить из руд окислительным обжигом и агломерацией.

Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.

Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свариваемость.

Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, являются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталеплавильных печах.

Ванадий и титан - полезные примеси.

Пустая порода руд в основном состоит из SiО2, А12О3, СаО и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО)/(SiО2 + А12О3) « 1. В этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отношение значительно менее 1, то есть пустая порода руд является кислой.

 

1.1.3 Подготовка  железных руд к доменной плавке

 

Чем тщательнее подготавливают руду к доменной плавке, тем выше производительность доменной печи, ниже расход топлива и выше качество выплавляемого чугуна.

В конечном итоге стремятся снабжать доменную печь шихтой, состоящей только из двух компонентов: офлюсованного железорудного сырья и кокса определенной кусковатости и не содержащих мелких фракций (ниже 5-8 мм для железосодержащей шихты и ниже 20-30 мм для кокса).

Для обеспечения хорошей газопроницаемости плавильных материалов желательно, чтобы шихта была однородной по кусковатости. Рекомендуется, чтобы диаметр самого крупного куска не превышал диаметр самого мелкого куска более чем в два раза, т.е. целесообразно давать руду или окускованную шихту кусковатостью 10-20 или 20-40 мм.

Важным резервом повышения производительности доменных печей и снижения расхода топлива является увеличение содержания железа в шихте. Его увеличение на 1 % позволяет снизить расход кокса на 2-2,5 % и на столько же увеличить производительность печи.

Кроме того, при росте содержания железа в шихте снижается выход шлака при доменной плавке, что ведет к повышению технико-экономических показателей плавки.

Для получения богатого железорудного сырья разработаны и внедрены эффективные способы обогащения железных руд. При решении вопроса об оптимальной степени обогащения железных руд нужно исходить из технико-экономических соображений.

Расчеты показывают, что для многих руд оптимальное содержание железа в концентратах для доменной плавки находится в пределах (64-67 %). Существующая подготовка шихты пока еще не удовлетворяет указанным требованиям. Поэтому повышение однородности шихты по кусковатости и химическому составу и увеличение содержания железа в шихте крайне необходимы. В зависимости от характеристики добываемой руды применяют следующие методы подготовки руды:

а) дробление;

б) сортировку;

в) обогащение;

г) усреднение;

д) окускование.

 

1.1.4 Флюсы  и отходы производства

 

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы железосодержащей шихты и золы кокса в шлак требуемого химического состава, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы агломерата, окатышей или руд, а также в золу кокса (SiО2 - 1710, А12О3 - 2050, СаО - 2570, MgO - 2800°С), значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450—1600°С). Вместе с тем при определенном соотношении указанных оксидов образуются легкоплавкие составы, которые имеют температуру плавления ниже 1300°С и характеризуются хорошей текучестью при 1450-1600°С.

Необходимо также, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (СаО и MgO) для обеспечения требуемой десульфурирующей способности. Например, рекомендуется, чтобы в шлаках отношение (СаО + MgO) : (SiО2 + А12О3) составляло около 1, а отношение SiО2 : А12О3 было равно 2-4,5.

Таким образом, в зависимости от состава пустой породы руды и вида топлива нужно применять основные, кислые или глиноземистые флюсы. Добываемые руды, как правило, содержат кислую пустую породу и характеризуются приемлемым соотношением SiО2 и А12О3, поэтому по технологическим причинам обычно применяют основной флюс - известняк, состоящий из карбоната кальция СаСО3, или доломитизированный известняк, содержащий, кроме СаСО3 еще MgCО3.

При доменной плавке используют также некоторые отходы производства, содержащие Fe, Мn, СаО и MgO и являющиеся заменителями железных руд и флюса. К ним относят колошниковую пыль, сварочный шлак и окалину нагревательных печей, пиритные огарки и шлаки мартеновского производства. Наиболее широко применяют колошниковую пыль, получаемую в доменных цехах. Она состоит из железосодержащих материалов и кокса, уловленных при очистке газа доменных печей. В пыли содержится 40-56 % Fe и 3-15 % С. С целью утилизации ее добавляют в шихту к рудам или концентратам при их окусковании.

 

 

1.1.5 Топливо