Доменная печь

Ванадий и хром восстанавливаются аналогично марганцу соответственно на 70 – 80 и на 80 – 90 %, а титан – аналогично кремнию. Степень восстановления титана ниже, чем кремния. Алюминий, магний и кальций в доменной печи не восстанавливаются.

Особо следует отметить поведение цинка. Он содержится в некоторых железных рудах, а также попадает в доменные печи в составе добавляемых в шихту железосодержащих отходов - конвертерных шламов, колошников и пыли и др. поступая в печь в основном в виде ZnO, он легко восстанавливается при температурах > 950 ⁰С: ZnO + С = Zn + СО и, испаряясь, поднимается с газами вверх. В зонах с умеренными температурами Zn вновь окисляется до ZnO, реагируя с CO₂ и оксидами железа. Часть ZnO (10 – 30 %) уносится из печи доменным газом; часть в смеси с сажистым углеродом осаждается на стенках печи, образуя большие настыли; часть осаждается в швах и порах футеровки, вызывая увеличение ее объема и возможность разрыва кожуха печи; часть осаждается на кусках шихты, и опускается вниз, где вновь восстанавливается, создавая циркуляцию цинка в печи, способствуя его накоплению с увеличением вредных отложений.

 

 

4. Образование чугуна

 

Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1535 ⁰С) 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 ⁰С и заключается в том, что на поверхности губчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО (2СО = С +СО2) и выделяющийся сажистый углерод переходит в железо, образуя раствор Ре + С = [С].

По мере науглероживания температура плавления железа понижается (так температура плавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130 ^ОС), 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 около1200 ^ОС) 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.

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. Применительно к современной доменной плавке примерное содержание углерода в чугуне (%) можно определить по следующей формуле:

С = 4,8 + 0,03Мо - 0,27Si - 0,32Р - 0,032S.

В передельных чугунах содержание углерода обычно составляет 4,4 – 4,8 %, в литейном 3,5 – 4 %, в ферромарганце – 7 %. Температура чугуна в горне равна 1400-1500 ^ОС.

 

 

5. Образование шлака и его свойства

 

Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят не восстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, АI₂О₃, Si0₂ и небольшое количество МnО и FеО, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получения жидкого шлака.

Наведение в печи жидкого текучего шлака необходимо прежде всего для выведения из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а также золы кокса. Основу пустой породы большинства руд так же, как и основу золы кокса, составляют Si0₂ и А1₂О₃, температура плавления которых (соответственно 1710 и 2050 ⁰С) выше температур в доменной печи, в связи с чем они в печи расплавиться не могут. Поскольку доменная печь не приспособлена для удаления твердых продуктов плавки, необходимо перевести оксид Si0₂ и А1₂О₃ в жидкую фазу, что достигается добавкой в шихту агломерации флюса известняка, вносящего оксид СаО, который, взаимодействуя с Si0₂ и А1₂О₃, образует легкоплавкие химические соединения. Последние при температурах доменного процесса расплавляются, переводя пустую породу и золу кокса в жидкую фазу - шлак, который периодически выпускают через летки, освобождая печь от непрерывно поступающих сверху невосстанавливаемых оксидов. Другой важной функцией, шлака является десульфурация.

 

 

5.1. Образование шлака

 

Основными стадиями сложного процесса шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его состава, присоединение к нему золы кокса, формирование окончательного состава в горне.

При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурами около 1000 – 1100 ⁰С, где начинается пластичная зона.

В верхних наружных слоях этой зоны происходит размягчение и переход в пластичное состояние железосодержащих материалов со слипанием отдельных кусков в : скопления; в толще зоны, где температура выше, начинается и протекает плавление, а ниже нее(где температуры составляют около 1200 – 1250 ⁰С) оксидная фаза и восстановленное железо находятся в расплавленном состоянии и твердым остается лишь кокс. Эта зона пластичности или зона первичного шлакообразования может быть разной по форме и толщине и располагаться на разной высоте в зависимости от распределения шихтовых материалов и газового потока по сечению печи, расхода кокса и теплового состояния горна и печи, расхода дутья, состава и прочности агломерата и его восстановимости и ряда других факторов.

Формирующаяся ниже зоны пластичности жидкая оксидная фаза - расплавленные пустая порода агломерата и окатышей и не восстановившиеся оксиды FeO и МnО – образует первичный шлак. По составу он отличается от конечного шлака в горне, в первую очередь более высоким содержанием FеО (до5 – 15 %) и МnО. Первичный шлак каплями стекает в горн через слой кокса ("коксовую осадку"), при этом изменяется его состав. В результате прямого восстановления железа и марганца в шлаке уменьшается содержание FеО и МnО, и он становится более тугоплавким. На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола кокса (в основном SiO₂ и Аl₂О₃), Придвижении капель (особенно в горне) в шлак переходит сера. В районе горна в результате восстановления кремния несколько уменьшается количество SiO₂в шлаке.

Конечный шлак на 85 – 95 % состоит из SiO₂, Аl₂О₃ и СаО и содержит, %: 38 – 42 SiO₂, 38 – 48 СаО, 6 – 20 Аl₂О₃, 2 – 12 MgO, 0 – 26 РеО, 1 – 2 МnО и 0,6 – 2,5 серы (в основном в виде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400 – 1560 ⁰C.

Состав шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают  существенное влияние на ход доменной плавки и показатели работы печи.

Поскольку содержание AI₂O₃ в доменных шлаках не превышает 20 %, практический интерес представляет часть диаграммы, примыкающая к стороне CaO-SiО₂ треугольника. Как видно из диаграммы, наиболее высокие температуры плавления у чистых оксидов (СаО и Si0₂), наиболее приемлемые (низкие) у шлаков, содержащих около 42 – 65 % СаО.

Однако для выбора состава шлака недостаточно знать  эти температуры, так как некоторые  из сплавов становятся хорошо подвижными при температуре, значительно превышающей температуру плавления. Например, самый легкоплавкий сплав – СаО AI₂O₃ . 2Si0₂, содержащий примерно 62 % Si0₂, 14 % Al₂O₃ и 24 % СаО, температура плавления которого равна 1170 ⁰C, приобретает хорошую текучесть лишь при нагреве до 1600 ⁰C. Поэтому необходимо учитывать данные о вязкости шлаков.

Вязкость - это внутреннее трение, препятствующее течению жидкости; она является величиной, обратной текучести. Единицей вязкости является Па∙с (1 Па∙с = 1 Н∙с/м² = 1), Т.е. за единицу вязкости 1 Па∙с принимают вязкость такой жидкости, в которой сила в 1 Н, приложенная к площади жидкости в 1 м²

(т.е. 1 Па), находящейся  на расстоянии 1 м от другой  такой же площади, вызывает перемещение жидкости со скоростью 1 м/с. Вязкость существенно понижается с ростом температуры.

Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака должна составлять 0,3-0,6 Па∙с.

Основность шлаков является их важной технологической характеристикой. Ее выражают величиной отношения содержания основных оксидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/Si0_2. 

 

 

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

 

6.1. Дутье

 

Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обогащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100 – 1300 ⁰С, давление перед фурмами достигает 0,4 – 0,5 МПа, расход дутья. На хорошо работающих печах составляет   1,6 – 2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутью больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пределах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации находят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняется равный сход шихты и после превышения которого не нарушается, т.е. начинаются повисания шихты, а также возникают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м³ расход дутья достигает 8500 м³/мин.

Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45 – 0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.

Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухопровод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16 – 40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140 – 190 мм, весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300 – 500 мм, скорость дутья на выходе из фурмы 180 – 240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170 – 230 м³/мин.

 

 

6.2. Процессы в горне

 

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют  два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и углеводородов природного газа или мазута. Получающиеся горновые газы поднимаются :вверх навстречу опускающейся шихте.

Основным и важнейшим  процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:

а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;

б) образование газа-восстановителя СО;

в) образование свободного объема вследствие превращения твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.

Окисление углерода кокса  происходит в сравнительно небольших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами. Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса перед фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взвешенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме части такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С0₂; в периферийной (углекислотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С0₂, углерод окисляется, реагируя с С0₂, образуя при этом СО.

Участки исчезновения С0₂ представляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, конечным продуктом окисления углерода является СО, и процесс окисления идет по следующей схеме:

С + 0₂ = С0₂ + 402190 С0₂ + С = 2СО - 166310

2С + 0₂ = 2СО + 235880 Дж или 9830 кДж/кг ∙ С.

Изменение состава газа в окислительной зоне по мере отдаления  от фурм

Размеры окислительной  зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением количества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7 – 1,9 м. Продукт сгорания кокса – горновой газ состоит, в основном, из СО и N₂. Его состав можно легко рассчитать.

Если в горении участвует  сухой воздух, содержащий 79 % N₂ (объемн.) и 21 % 0₂ (т.е. N₂: 02 = 3,76), то реакцию можно записать так:

                           2С + 0₂ + 3,76N₂ = 2СО + 3,76N₂.

При воздушном дутье  температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С0₂, достигает 1900 – 2000 ⁰С, а на границе окислительной зоны снижается до 1650 – 1600 ⁰С вследствие протекания эндотермических реакций С0₂ + С = 2СО. За пределами окислительной зоны по мере отдаления от нее температура снижается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400 – 1500 ⁰С.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги изменяют температурное состояние горна. Увеличение количества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попадании в горн Н₂О разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива.