Доменная печь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

    Введение                                                                                                      - 3

1. Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике.             - 4

2. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов.- 8

3. Процессы восстановления.                                         - 11

4. Образование чугуна.         - 22

5. Образование шлака и его свойства.      - 24

6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи.    - 27

7. Интенсификация доменного процесса.      - 34

8. Продукты доменной плавки.       - 40

9. Управление процессом, контроль, автоматизация.    - 43

    Заключение          - 46

    Список использованной литературы.      - 47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 Главным процессом производства стали и чугуна в настоящее время является доменный процесс, а наиважнейшим компонентом этого процесса является доменная печь.

Доменная печь является мощным и высоко производительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья.

Основным топливом доменной плавки является кокс – кусковой пористый материал из спекшийся углеродистой массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха.

Доменный процесс стараются вести так, чтобы обеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса. В данном отчёте мы рассмотрим процессы, происходящие в доменной печи, и всё что с ними связано.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

 

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 делать, то основная часть газов будет двигаться по зонам с малым сопротивлением шихты и покидать печь с высокой температурой, Т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с не полностью использованной восстановительной способностью. 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.

На печах с двух конусным засыпным аппаратом шихту загружают в печь отдельными порциями - подачами. Подача включает несколько скипов (чаще четыре и иногда три, пять, шесть) и состоит из рудной части (в основном агломерата) и кокса, взятых в соотношении, вытекающем из расчета шихты. Подача может быть совместной, когда все входящие в нее скипы агломерата и кокса накапливают на большом конусе путем опусканий малого конуса без его вращения и затем загружают в печь за одно опускание большого конуса (пример ее обозначения: AAKt); раздельной, когда агломерат загружают одним опусканием большого конуса, а кокс – вторым (AAtKKt) и расщепленной, когда подача загружается в два приема, но в каждой полуподаче есть и кокс и агломерат (AAK, KKAt). В приведенных обозначениях знак t означает опускание большого конуса, А - скип агломерата, К - скип кокса. (Порядок набора подачи и распределения подач по окружности колошника дан выше при описании засыпного аппарата.)

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 за сыпана колошнике, неполное опускание большого конуса при выгрузке подачи в печь, установку подвижных плит у стен колошника.

При регулировании распределения шихты с помощью этих приемов учитывают следующие известные закономерности ведения сыпучих материалов:

- падающие с большого  конуса материалы укладываются  на колошнике с возвышением  - гребнем; при расположении гребня  у стены он имеет один скат, а на удалении от стены - два cката;

- в месте падения  шихты (у гребня) скапливается  больше мелочи, а крупные куски  в значительной мере скатываются  к подножию гребня, в связи  с чем газопроницаемость шихты  в зоне гребня ниже. При этом  основная часть мелочи - это агломерат;

- на расположение гребня  влияет уровень засыпи на колошнике,  при снижении уровня засыпи от H₁ до H₃ гребень приближается к стенкам колошника;

- расположение гребня  зависит от величины зазора  между большим конусом и стенкой  колошника; при малом зазоре гребень располагается у стен, при большом отдаляется от стен

- угол естественного  откоса при свободной укладке  падающего сверху кокса меньше, чем у агломерата, поэтому при  ссыпании с большого конуса у стен печи получается более толстый слой агломерата, а в центре - кокса

- в связи с таким  различием углов откоса уменьшение  массы подачи ведет к снижению  толщины слоя агломерата в  центре печи и позволяет создать  в центре зону без агломерата с повышенной газопроницаемостью;

- неполное опускание большого конуса способствует перемещению гребня материалов к стенкам колошника и попаданию большего количества мелочи на периферию;

- при ссыпании подачи  с большого конуса ее нижняя  часть ложится у стен, образуя  гребень, с которого в центр скатывается заключительная часть подачи, Т.е. в центр печи в основном поступает материал из тех скипов подачи, которые на большой конус загружали последними.

Соответственно при подаче агломератом вперед ААКК. в центр поступает заметно больше кокса, а при обратной подаче KKAAt больше агломерата. Изменение порядка загрузки на обратный является сильно действующим средством перераспределения материалов по сечению колошника и применяется как крайняя мера; меньшее воздействие на распределение материалов оказывают промежуточные порядки загрузки типа KAKAt, AKKAt и др.

В целом регулирование  распределения шихты по сечению  печи с помощью двух конусного аппарата является сложной задачей и непрерывно совершенствуется. В последние годы на некоторых печах у стен колошника устанавливают подвижные плиты, которые можно перемещать в горизонтальной плоскости и изменять угол их наклона. Падающие на плиты куски шихты отражаются и, изменяя положение плит, можно направлять шихту в заданные зоны колошника.

На печах с бесконусным загрузочным устройством шихту загружают в печь через два поочередно открываемых шлюзовых бункера а в бункеры ее доставляют наклонным ленточным конвейером, на котором с определенными интервалами уложены порции агломерата (или смеси агломерата и окатышей) и кокса.. В один бункер с ленты поступает одна порция агломерата или кокса; из бункера порцию выгружают на колошник печи по наклонному вращающемуся лотку, который за время выгрузки порции (60 – 140 с) совершает более десяти оборотов вокруг вертикальной оси.

Для характеристики этого  способа загрузки чаще используют не термин "подача", а цикл загрузки. Цикл загрузки - это повторяющаяся совокупность располагаемых определенном порядке порций шихтовых материалов. Максимальная масса порций определяется объемом шлюзового бункера (50 – 80 м³) засыпного устройства. Число порций в цикле может изменяться в пределах от 5 – 7 до 14 и более.

Применение вращающегося лотка и изменение угла его  наклона в процессе выгрузки из шлюзового  бункера каждой порции материала позволяет в очень широких пределах перераспределять шихту по сечению колошника и регулировать толщину слоев агломерата и кокса, добиваясь рациональной ее укладки и эффективного использования газового потока.

Чтобы судить о газопроницаемости  шихты в доменной печи и о том, насколько хорошо протекают теплообменные и химические процессы между шихтой и газами, желательно иметь данные о температуре и составе газа по сечению. Повышенное содержание СО² в газах и низкая температура указывают на полноту химических и теплообменных процессов в печи. Для интенсивной и экономичной работы печи желательно, чтобы содержание СО² на периферии и по оси печи было несколько пониженным, а на расстоянии около 1 – 2 м от стен печи - повышенным.

На новых печах для  контроля температуры и отбора проб газов по сечению печи применяют вводимые через отверстия в кожухе и футеровке зонды, периодически перемещаемые от периферии к центру печи над уровнем шихты и в объеме шихты на расстоянии от 1,5 до 7 – 12 м ниже ее уровня. На всех печах контролируют уровень засыпи (верха материалов) на колошнике; общепринят контроль с помощью двух зондов вертикально перемещаемых штанг, пропущенных через отверстие в куполе печи. В рабочем положении нижний конец зонда находится на поверхности шихты, постепенно опускаясь вместе с ней, зонд связан с контрольно-измерительными приборами, отражающими изменение уровня шихты; при ссыпании шихты с большого конуса зонды поднимают. Начинают применять новые бесконтактные методы измерения уровня, используя показания направленных на поверхность за сыпи инфракрасных, микроволновых и других датчиков.

 

 

2. Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов

 

2.1 Распределение температур  в печи

 

   Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем; основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна и шлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации тепло потерь 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, асами охлаждаются. Поэтому по мере отдаления от горна кверху температура в печи понижается с 1400 – 1600 до200 – 350 ⁰С на выходе из колошника.

Вместе с тем, на одном  и том же горизонте печи при поперечном сечении температура не является постоянной, меняется 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.

 

 

2.2 Удаление влаги

 

 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 тепла, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится в соединении с Fе₂О_з (в буром железняке) или с Аl₂О_з (в каолинитах АI₂О_з, 2Si0₂ . . 2Н₂О). Эти соединения разлагаются при 400 – 1000 ⁰С 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.

 

 

2.3 Разложение карбонатов

 

Карбонаты (углекислые соединения) могут поступать в доменную печь В виде известняка СаСО₃ (иногда он содержит немного СаСО₃ МgСО₃), с карбонатной железной рудой(FеСО₃) и марганцевой рудой (МnСО₃). При нагреве карбонаты разлагаются на СО₂ и оксид металла с поглощением при этом тепла.

В настоящее время  сырье руды в доменные печи почти не загружают; известняк, необходимый для внесения в доменный шлак СаО, вводят в шихту агломерации и лишь в отдельных случаях для повышения основности шлака немного известняка добавляют в печь. Здесь известняк интенсивно разлагается при температурах и выше по реакции:

    СаСОз = СаО + СО2 – 178500 Дж.

Помимо затрат тепла  на разложение, отрицательным фактором является то, что при температурах более 1000 ⁰С идет реакция СО₂ + С = 2СО с поглощением тепла и расходованием углерода кокса.

Применение офлюсованного агломерата (т.е. полученного с добавкой известняка в шихту агломерации) и полное выведение известняка из доменной шихты позволяет экономить кокс. При агломерации процесс разложения известняка обеспечивается сжиганием низкосортного топлива (коксика, антрацитового штыба), а не дорогостоящего дефицитного металлургического кокса.

 

 

3. Процессы восстановления

 

3.1. Восстановление железа

 

Железо поступает в  доменную печь в виде оксидов: агломерат  вносит Fе₂О. и немного Fе₂О₃ и FeO, окатыши – Fе₂О₃ иFе₂О. и железная руда, если ее применяют, - Fе₂О₃ иFе₂О, причем часть этих оксидов находится в виде химических соединений с другими оксидами.

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 общем виде процесс восстановления описывается уравнением: