Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Металлургия черных металлов

§ 10. Поведение серы

Сера является вредной примесью в стали, понижаю­щей свойства металла. На всех стадиях производства стараются снизить содержание серы в металле. Прини­мают возможные меры для уда­ления серы в ходе доменной плавки. В чугуне может раство­ряться до 0,9 % S. Основная часть серы вносится в доменную печь с коксом, меньшая доля с агломератом или рудой — в виде сернистого железа FeS, пирита Fe2S2, сульфатов BaSO4, CaSO4 и т. п. Некоторое количество се­ры переходит в газообразное со­стояние и удаляется вместе с га­зами в виде SO2, H2S. При вы­плавке передельного чугуна уно­сится с газами до 15 %, а при выплавке литейного чугуна — до 20 % серы. Сера, переходящая из кокса в виде H2S, SO2, взаимодействует с металлом, из­вестью, образуя FeS, CaS.

Значительная доля серы остается в металле и в шла­ке. Для удаления серы из чугуна (т. е. десульфурации чугуна) необходимо перевести ее в соединение CaS, не­растворимое в чугуне. Для этого необходимо создание в доменной печи жидкого, хорошо нагретого шлака с высо­ким содержанием CaO. При выполнении этого условия протекает реакция Fe+ [S] + (CaO) = (FeO) + (CaS).

„ v (CaS) (FeS) константа равновесия которой K= — ——— .

F К [S] (CaO)

Ca0/Si02

Рис. 35. Зависимость коэф­фициента распределения се­ры от основности шлака

В квадратные скобки заключены элементы или соеди­нения, растворенные в металле, а в круглые — растворен­ные в шлаке. В данном случае растворена в чугуне сера. Если обозначить отношение (CaS)/[S] =L, где L — ко­эффициент распределения серы между шлаком и метал­лом, то он будет равен К• (CaO)/(FeO). Отсюда следует, что десульфурация металла идет тем полнее, чем больше извести в шлаке и меньше FeO. Для обеспечения лучших условий десульфурации необходима высокая температу­ра в горне, которая обеспечивает хорошую жидкопод — вижность шлака, обусловливающую протекание реакций удаления серы с высокой скоростью. Из рис. 35 видно, как влияет основность и температура шлака на коэффи­циент распределения серы. С повышением температуры шлаки становятся менее вязкими, скорость диффузии серы в шлаке возрастает, а это благоприятствует дости­жению более высоких коэффициентов распределения серы между шлаком и металлом, т. е. переходу серы в шлак. При использовании низкосернистого кокса заво­ды выплавляют чугун, содержащий 0,02—0,04 % S, одна­ко в большинстве случаев применяется кокс с высоким содержанием серы, и получить низкосернистый чугун является трудным делом. Удаление серы из чугуна мо­жет происходить и после выпуска металла из печи в ковш по реакции [S] + [Mn] = (MnS), равновесие кото­рой сдвигается в сторону перехода серы в шлак по мере понижения температуры. Степень удаления серы из чугу­на зависит от содержания марганца в чугуне, продолжи­тельности хранения чугуна в ковшах, температуры чугу­на и т. п. Этот способ удаления серы в доменном процес­се требует поддержания высокой концентрации марганца в чугуне (1,5—2,0 %)¦ Для этого нужно вводить в состав шихты марганцевую руду, увеличивать расход кокса.

Серу можно удалять из чугуна и вне доменной печи путем обработки чугуна десульфурирующими реагентами. При внедоменной десульфурации чугун обрабатывают содой, при этом протекает реакция Na2CO3+[S]+Fe = (Na2S) + (FeO) +CO2; сернистый натрий переходит в шлак, FeO восстанавливается углеродом. При таком спо­собе десульфурации содержание серы в чугуне понижа­ется до 0,010%- Более дешевым способом является де­сульфурация порошками извести и карбида кальция или обработка чугуна магнием. Особенно эффективно при­менение внедоменной десульфурации чугуна при работе на коксе с высоким содержанием серы. Хотя методы вне­доменной десульфурации и требуют дополнительных за­трат на специальные сооружения и десульфурирующие реагенты, что повышает себестоимость чугуна, однако в целом эти затраты окупаются в сталеплавильном произ­водстве.

§ 9. Поведение фосфора

Фосфор в большинстве случаев отрицательно влияет на свойства стали и чугуна, поэтому стремятся ограни­чить его содержание в чугуне. Фосфор попадает в до­менную печь с минералами, из которых состоит пустая порода агломерата, руды и во флюсах. Чаще всего име­ют дело с очень прочным соединением фосфора — фос — форнокальциевой солью тетракальцийфосфатом (CaO)4- -P2O5.

Разложение этой соли на CaO и P2O5 начинается лишь при нагреве до 1500 °С. Однако в присутствии кремнезема, металлического железа и избытка углерода ход процесса изменяется. Кремнезем, как кислотный оксид, будет замещать в (CaO)4-P2O5 фосфорный ан­гидрид при более низких температурах. Этот процесс будет тем быстрее и полнее, чем больше кремнезема в шихте. В доменной пёчи при любом составе шихты до­статочно много кремнезема. Высвободившийся фосфор­ный ангидрид P2Os восстанавливается углеродом по реакциям

(CaO)4-P2O5 + 4Si02 = 4Ca0-Si02 + P2O5;

P2O5 H — 5С — 2[Р]ре + 5С0.

Восстанавливаемый фосфор растворяется в железе, тем самым смещая равновесие реакции в правую сторону, т. е. в сторону еще большей полноты восстановления Р2О5. При повышении температуры выше IlOO0C восста- новимость фосфорного ангидрида резко улучшается. По­скольку в горне доменной печи температура всегда выше IlOO0C, то весь фосфор переходит в чугун. Добиться получения чугуна с низким содержанием фосфора мож­но, лишь применяя низкофосфористую шихту.

§ 8. Образование чугуна и шлака в доменной печи

Науглероживание железа и плавление

Находясь в постоянном контакте с доменными газа­ми и раскаленным коксом, губчатое железо, получивше­еся в результате восстановления кусков агломерата или руды, постепенно науглероживается. С повышением тем­пературы растворимость углерода в железе достигает 5—6 %. Рассмотрим особенности науглероживания же­леза при его взаимодействии с СО: 2С0+[С]=С02.

Освобожденный углерод в присутствии железа перехо­дит в раствор.

Науглероживание губчатого железа частично уже происходит в области температур, где завершается вос­становление FeO до Fe. По мере повышения температу­ры науглероживание ускоряется и углерод, растворив­шийся в поверхностном слое кусков железа, диффунди­рует к центру. Диффузия углерода приводит постепенно к превращению губчатого железа в сплав железа с угле­родом, когда в твердом состоянии образуются карбиды железа.

Науглероживание железа в основном происходит в области заплечиков печи и несколько выше их. Темпера­тура плавления науглероженного железа значительно ниже температуры плавления чистого железа (1540 °С). Так, сплав железа с 4,3 % углерода плавится при 1147 °С. В некоторый момент, когда температура плав­ления сплава железа с 2—3 % С становится равной тем­пературе доменных газов, начинается оплавление кусков железа и образование капель сплава при 1250—1300°С, т. е. к концу полного восстановления оксидов железа на горизонте распара и верхней части заплечиков.

Капли железоуглеродистого расплава сливаются в струйки и стекают в горн печи. При движении вниз ме­талл контактирует с кусками раскаленного кокса и пу­тем прямого растворения углерода 3Fe-{-C = Fe3C допол­нительно науглероживается. Благодаря науглерожива­нию в жидком состоянии концентрация углерода в металле повышается до 3,5—4,5 %. Конечное содержа­ние углерода в чугуне будет определяться следующими факторами: 1) химическим составом металла, т. е. содер­жанием в нем кремния, марганца и других элементов, влияющих на растворимость углерода в железе; 2) тем­пературой нагрева чугуна; 3) длительностью пребыва­ния чугуна в нижней части печи. Чугун тем больше на­сыщается углеродом, чем дольше он находится в контакг те с раскаленным коксом и чем выше его температура. Высокий нагрев увеличивает растворимость углерода в железе. После выпуска чугуна из печи и некоторого его охлаждения углерод выделяется из сплава в виде твер­дого чешуйчатого графита или спели, которая при хра­нении чугуна в ковше или в миксере всплывает на поверх­ность. Кроме углерода, в железо переходят фосфор, кремний, марганец, сера. Содержание углерода в литей­ном чугуне составляет ~4,0 %, а в передельном 4,5 %.

Одновременно с образованием чугуна в доменной пе­чи образуется шлак из невосстановившихся оксидов CaO, MgO, А120з, SiO2, а также небольших количеств MnO и FeO. В верхних частях доменной печи образуется пер­вичный шлак с повышенной концентрацией MnO и FeO. Этот шлак стекает вниз, нагревается и изменяется по составу и количеству. В нем увеличивается содержание CaO, MgO, Al2O3, SiO2; содержание MnO и FeO умень­шается вследствие восстановления железа и марганца. Когда шлак попадает в горн печи, почти все железо и основное количество марганца успевает восстановиться.

На горизонте фурм в шлак переходит зола кокса. Шлак постепенно насыщается сульфидом кальция. Ко­нечный шлак имеет состав: ~40 % SiO2; 5—15 % Al2O3; 40—45 % CaO: 3—8 % MgO; 0,2—0,6 % FeO; 0,3—2,0 % MnO; 0,5—1,8 % S в виде CaS. Относительно высокое со­держание MgO в шлаке поддерживают для обеспечения хорошей жидкоподвижности шлака. Хорошей жидкоте- кучестью шлаки обладают при температурах >1400 °С.

§ 6. Восстановление кремния и выплавка кремнистых чугунов

Кремний попадает в доменную печь либо в виде кремнезема SiO2, либо в виде силикатов^, (соединений кремнезема с другими оксидами) в составе железной руды или агломерата, золы кокса, известяка. Кремний имеет сродство к кислороду значительно более высокое, чем железо, поэтому кремний восстанавливается по ре­акции прямого восстановления: Si02-f2C — Si + 2C0-f — +635 кДж, протекающей с поглощением тепла. В чис­том виде такая реакция проходит при высоких темпера­турах (— 1500 °С). Однако на практике в присутствии железа образуется силицид железа FeSi. Кремний выво­дится из сферы реакции. Равновесие реакции восстанов­ления кремнезема сдвигается в правую сторону, т. е. в сторону образования кремния или силицидов, а сама реакция успешно протекает при значительно более низ­ких температурах, например при 1050—1150 0C.

Для восстановления кремния необходимо увеличи­вать расход кокса, повышать температуру дутья, обога­щать дутье кислородом, применять легковосстановимую железосодержащую шихту с тугоплавкой пустой поро­дой, кремнезем которой равномерно распределен в массе оксидов железа. В доменной печи восстанавливается до 30 % кремния, остальное в виде SiO2 переходит в шлак. При производстве высококремнистых чугунов необходи­мо стремиться к получению шлака с пониженным содер­жанием извести, так как CaO связывает кремнезем в прочные соединения (силикаты), которые с трудом под­даются восстановлению. Обычно содержание кремния в передельных чугунах составляет 0,5—0,8 %, в литейных 0,7—3,8 %. При дефиците электрического ферросилиция в доменных печах иногда выплавляют бедный ферроси­лиций, содержащий 9—18 % кремния. Для этого в до­менную печь приходится давать большое количество ме­таллолома— до 450 кг на тонну сплава и значительно повышать долю кокса. В среднем на каждый процент кремния в чугуне расход кокса достигает 1000—1300 кг/т. И5 этих данных видно, что производство такого сплава в доменной печи малоэффективно.

§ 7. Восстановление марганца и выплавка марганцовистых чугунов

Марганец в доменную печь попадает либо в составе агломерата в виде силикатов марганца MnO-SiO2; (MnO)2-SiO2, либо с марганцевой или железной рудой, которые загружают в печь при выплавке чугуна с высо­ким содержанием марганца. Марганец в состав руд вхо­дит в виде оксидов MnO2, Mn2O3, Mn3O4. Высшие окси­ды марганца довольно легко восстанавливаются домен­ными газами при умеренных температурах на колошни­ке доменной печи до MnO по следующим реакциям:

2Мп02 + СО = Mn2O3 + CO2 — 227556 Дж;

ЗМп203 + СО = 2Mn304 + CO2- 170270 Дж;

Mn3O4 + СО = ЗМпО + CO2 — 52080 Дж.

Эти реакции протекают с выделением большого, коли­чества тепла. Процесс восстановления марганца из MnO по реакции МпО+С = Мп+СО+288288 Дж протекает ¦с поглощением тепла. В доменной печи возможно обра­зование и карбида марганца: ЗМпО + 4С=Мп3С+ЗСО. В присутствии железа процесс восстановления марганца протекает при 1100—1300 °С. Большая часть марганца в виде силиката MnO-SiO2 переходит в шлак, но благода­ря наличию извести, стремящейся соединиться с кремне­земом, восстановление марганца из шлака углеродом возможно и протекает по реакции Mn0-Si02+Ca0+C = =Mn + CaO-SiO2+CO+229068 Дж. Степень восстанов­ления марганца составляет при выплавке обычных чугу­нов ~50 %, а при выплавке марганцовистых ферроспла­вов 70 %• Марганец теряется частично в виде оксидов в шлаке, частично улетучивается с доменным газом. Для максимального извлечения марганца из шихтовых мате­риалов необходимо обеспечивать дополнительных приход тепла в печь, для чего повышают расход кокса, тем­пературу дутья. Применяют дутье, обогащенное кисло­родом, повышают содержание извести в шлаках. Содер­жание марганца в литейном чугуне 0,5—1,3 %, а в пере­дельном 0,5—1,5 %. Содержание марганца в передельном чугуне зависит от содержания серы, поскольку марганец способствует удалению серы из чугуна. При работе на сернистом коксе содержание марганца повышают до 1,0 %, а при работе на низкосернистом коксе в чугуне может быть 0,25—0,50 % Mn. Для доменщиков выгодно выплавлять чугун с пониженным содержанием марганца, так как это позволяет экономить кокс, повышает произ­водительность печи и снижает себестоимость чугуна. Однако для успешного хода кислородно-конвертерного процесса требуется чугун с содержанием 0,7—1,1 % мар­ганца. Помимо обычных чугунов, в случае необходимости в доменной печи можно выплавлять ферромарганец с 70—75 % марганца, зеркальный чугун с содержанием марганца 10—25 %. Для выплавки этих сплавов в шихту дают марганцевую руду или марганцевый агломерат, повышают расход кокса до 1000 кг/т зеркального чугу­на и 2000 кг/т ферромарганца. Дутье обогащают кисло­родом до 30—35 %• Это снижает высокую температуру на колошнике печи, помогает уменьшить потери марган­ца в результате его испарения, уменьшает на 20—30 % расход кокса.

Восстановление других элементов

Возможность восстановления элементов из доменной шихты во многом определяется их сродством к кислоро­ду. По степени сродства в порядке его возрастания они могут быть расположены следующим образом: Cu, As, Ni, Fe, Р, Zn, Mn, V, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Ca.

Целиком восстанавливаются и переходят в состав чугуна медь, мышьяк, фосфор. Полностью восстанавли­вается цинк, но он улетучивается и откладывается в швах кладки печи, что приводит к их разрушению. Вана­дий и марганец восстанавливаются на 80, хром на 90 %.

§ 4. Разложение углекислых соединений

Основными видами углекислых соединений — карбо­натов, поступающих в доменную печь, являются извест­няк CaCO3 и доломит CaCO3-MgCO3. При нагреве кар­бонаты диссоциируют с выделением углекислого газа по реакциям CaCO3=CaO-I-CO2; MgCO3=MgO+CO2. Эти реакции эндотермические, т. е. протекают с поглощени­ем тепла.

Интенсивное разложение известняка в доменной пе­чи протекает при температуре ~ 1000°С. Разложение крупных кусков заканчивается при более высокой тем­пературе. Применение флюсов в доменной печи приво­дит к повышенному расходу кокса, так как требуется дополнительное тепло на разложение карбонатов. Обра­зующаяся при разложении карбонатов CO2 взаимодей­ствует с углеродом кокса по реакции С02-(-С=2С0, протекающей с поглощением тепла. Эта реакция требует также расхода кокса. Восстановительная способность доменных газов понижается вследствие разбавления их диоксидом углерода CO2. В связи с этим применяют офлюсованный агломерат, при производстве которого происходит основное разложение карбонатов. Так, заме­на в доменной печи 1 кг известняка позволяет экономить 0,4 кг кокса. При агломерации процесс разложения из­вестняка обеспечивается сжиганием низкосортного топ­лива — коксика, а не высококачественного металлургиче­ского кокса. Известняк или доломит загружают в печь в незначительных количествах для поддержания необходи­мой основности шлака, т. е. необходимого содержания в шлаке извести.

§ 5. Восстановление оксидов железа

Восстановлением называют процесс отнятия кислоро­да от оксида и получение из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода. При этом кислород переходит к веществу, которое окисляется. Такое веще­ство называется восстановителем. В процессе восстанов­ления одно вещество восстанавливается (теряет кисло­род), другое окисляется (приобретает кислород). Оба процесса идут параллельно по уравнению: МеО-\-B = =Me-|-ВО, где В — восстановитель, MeO — оксид, Me — восстановленный металл, ВО — оксид восстанови­теля. Восстановителем может> быть элемент или вещест­во, обладающее большим сродством к кислороду, чем металл оксида, например углерод или кремний по отноше­нию к железу. Чем большим сродством к кислороду об­ладает элемент, тем более сильным восстановителем явля­ется. В доменной печи восстановителями служат углерод кокса, оксид углерода — СО и водород. Рассмотрим ос­новные процессы, связанные с восстановлением оксидов железа.

По теории академика А. А. Байкова, восстановление оксидов протекает ступенчато: от высших к низшим. При температуре >570 0C восстановление проходит следую­щие стадии: Fe203->-Fe304->-Fe0->-Fe; при температуре <570 °С: Fe2O3-^Fe3O4-VFe.

Восстановление твердым углеродом называется пря­мым, а восстановление газами — косвенным. Прямое восстановление состоит из двух стадий: косвенного вос­становления и реакции взаимодействия CO2 с углеро­дом:

Mf?0+C0=A1<?+C02

+

С02+С = 2С0 Mf?0+C=Mf?+C0

Под прямым восстановлением следует понимать не только восстановление оксидов благодаря непосредствен­ному контакту кусков агломерата или руды с кусками кокса, а вообще участие твердого углерода и его расхо­дование на восстановление оксидов.

О) (2) (3)

С развитием реакций прямого восстановления коли­чество углерода, достигающего зоны фурм, уменьшается. Косвенное восстановление оксидов железа оксидом угле­рода СО при температуре >5700C протекает по следую­щим реакциям:

3Fe2Os + СО = 2Fe304 + CO2 — 53740 Дж; Fe3O4 + СО = 3FeO + CO2 + 36680 Дж; FeO + СО = Fe + CO2 — 16060 Дж.

Реакции (1) и (3) протекают с выделением тепла, а реакция (2) — с поглощением тепла. При температуре <570 0C имеет место реакция (1) и реакция Fe3O4+ +4C0=3Fe+4C02—11480 Дж, также протекающая с выделением тепла.

Наиболее’легко восстановимым оксидом железа явля­ется Fe2O3. При нагреве кусков руды или агломерата до 300—350 0C Fe2O3 восстанавливается до Fe3O4. Посколь­ку в современном доменном процессе используется агло­мерат, не содержащий Fe2O3, то реакция (1) в доменной печи практически не имеет места. Магнитный оксид желе­за также легко восстанавливается в доменной печи. Рас­четы показывают, что Fe3O4 должна была бы восстанав­ливаться газами еще на колошнике печи. Однако процесс восстановления требует времени, поэтому восстановление Fe3O4 продолжается на более низких горизонтах печи, при опускании проплавляемых материалов в зоны с бо­лее высокой температурой и более высоким содержанием СО в газе. По лабораторным данным, восстановление химически чистого магнитного железняка в чистом СО начинается при 450 °С. В доменной печи эта температура. должна быть выше, так как СО смешан с CO2 и парци­альное давление СО невысокое. Кроме того, реакция (2), по которой протекает восстановление Fe3O4, эндотермич- на. После восстановления магнитного оксида железа на­чинается восстановление FeO. Этот процесс сопровожда­ется выделением тепла. Образование металлического железа в результате взаимодействия FeO с СО в услови­ях доменной печи начинается при 750—800 0C или ранее, ¦когда куски руды или агломерата оказываются в ниж­ней части шихты. Но восстановление FeO не успевает завершиться в шахте доменной печи и продолжается в области распара при более высокой температуре. На уровне распара и даже несколько выше его в восстанов­лении FeO участвует раскаленный кокс. При этом проте­кают одновременно реакции FeO-I-CO=Fe-I-CO2; CO2+- + С=2С0.

При температуре >900 0C взаимодействие CO2 с угле­родом кокса приводит к тому, что весь диоксид углерода, появляющийся в ходе восстановления FeO оксидом угле­рода СО, реагирует с твердым углеродом и вновь превра­щается в оксид углерода СО. Поскольку оба процесса идут одновременно, то их можно представить в виде сум­марной реакции FeO + C=Fe-|-CO, которую называют реакцией прямого восстановления. Как уже было сказа­но, для восстановления FeO углеродом не требуется пря­мого контакта частиц оксидов и кокса. Отнятие кислоро­да от FeO может совершаться оксидом углерода внутри кусков агломерата, а выделяющийся при этом CO2 будет реагировать затем с коксом вне куска агломерата или РУДЫ.

Восстановление FeO твердым углеродом сопровож­дается поглощением теплоты. Чем выше температура кусков агломерата и кокса, чем больше тепла к ним под­водится, тем активнее будут проходить реакции восста­новления. На основании опытных данных можно ска­зать, что восстановление FeO твердым углеродом, начав­шееся на уровне распара, заканчивается в верхней части заплечиков или несколько ниже. К этому моменту мате­риалы нагреваются до 1200—1300 0C. Большую роль в развитии теории доменного процесса сыграли работы академика М. А. Павлова, который впервые установил количественные соотношения между прямым и косвен­ным восстановлением оксидов железа. Прямым восста­новлением в доменной печи получается 20—50 % желе­за. Прямое восстановление железа углеродом менее желательно, чем косвенное, так как требует большего расхода кокса. Для развития реакций косвенного восста­новления необходимо использовать в доменной печи природный газ, повышать равномерность распределения материалов и газов в печи, соответствующим образом подготавливать шихту, в этом случае степень прямого — восстановления может быть снижена до 20—30 %. В вос­становлении оксидов железа принимает участие и водо­род. Водород в доменной печи образуется в результате разложения метана и паров воды, содержащейся в ших­те и в дутье. Восстановление оксидов железа водородом протекает при температуре >570 0C по реакциям

TOC \o "1-3" \h \z 3Fe203 + H2 = 2Fe304 + H2O-12890 Дж; (4)

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O + 77540 Дж; (5)

FeO 4- H2 = Fe + H2O + 24790 Дж; (6)

При температуре <570 0C имеет место реакция

Fe3O4 = 4Н2 = 3Fe + 4Н20 + 149560 Дж. (7)

При этом только реакция (4) является экзотермичес­кой, остальные эндотермические. Сравнение восстанови­тельной способности водорода и СО показывает, что до 810 0C сродство к кислороду у водорода слабее, чем у СО, и он обладает меньшей восстановительной способно­стью, поэтому СО может взаимодействовать с водяным паром, образующимся при восстановлении, и суммарная реакция будет соответствовать уравнению (6):

FeO + H2 = Fe + H2O H2O + СО = H2 + CO2 FeO + СО = Fe + CO2

При температурах >810° оксид углерода имеет мень­шее химическое сродство к кислороду, чем водород. Однако взаимодействие водорода с CO2 не получает раз­вития, так как при 900—IOOO0C водяной пар и диоксид углерода активно взаимодействует с углеродом, превра­щаясь в водород и оксид углерода. Водород в доменной печи принимает активное участие в восстановлении, являясь промежуточным реагентом или переносчиком кислорода от оксидов железа к оксиду углерода СО или к углероду. Содержание водорода в газе в начале и в конце процесса может и не изменяться.

К моменту завершения восстановления оксидов же­леза вещество агломерата находится еще в твердом ви­де. Оно становится все более пористым и ноздреватым, содержит уже значительное количество металла и при­нимает форму губки. Железо, содержащееся в губчатом продукте восстановения агломерата, еще не успело спла­виться с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фос­фором. Его зерна еще тесно перемешаны с частицами пустой породы, не претерпевшими химических и физиче­ских превращений. Поскольку температура плавления ¦чистого железа 1540 °С, то после своего образования ме­таллическое железо остается твердым и продолжает продвигаться с шихтой в нижнюю часть доменной печи— в зону более высоких температур. Степень восстановле­ния железа достигает 99 %. Лишь 1 % железа переходит в шлак.

§ 2. Нагрев шихты

В зоне горения кокса температура достигает 2000 °С, газообразные продукты сгорания СО, CO2, азот воздуха нагреваются до высокой температуры и поднимаются вверх. Тепло газов передается твердым материалам. Сте­пень нагрева проплавляемых материалов зависит от то­го, как далеко они расположены от горна и какой газо­проницаемостью обладают. На каждом горизонте домен­ной печи, несмотря на неравномерное распределение температуры по сечению, слой материалов нагрет до ка — кой-то постоянной средней температуры. Самая низкая температура на колошнике доменной печи. Поднимаю­щиеся сюда газы успели отдать большую часть своего тепла и имеют температуру 200—400 °С. Внизу шахты температура повышается до 1000—1150°С, в районе рас­пара до 1200°С и в верхней части горна — до 2000°С. Изменение температуры внутри печи определяется распределением плавиль­ных материалов по высоте и сечению печи, соотношениями между количест­вами топлива и агломерата в шихте, физическим и химическим составом шихты, температурой и количеством дутья. При перемещении вверх к ко­лошнику по оси печи наблюдается до­вольно быстрое снижение температу­ры, так что переход к зоне умеренных температур происходит на уровне рас­пара. Таким образом, загружаемые в печь материалы основную часть своего пути от колошника до верхней части горна совершают в области умеренных температур и меньшую часть в зоне сравнительно высоких температур. На рис. 34 приведены кривые, характери­зующие изменение температуры по вы­соте доменной печи.

§ 3. Удаление влаги и летучих

Рис. 34. Изменение Температуры по вы — доте доменной печи-.

1 — на периферии пе­чи; 2, 3 — в промежу­точной зоне; 4 — в центре

5*

67

Из всех шихтовых материалов кокс подвергается наименьшим физическим и химическим изменениям при опуска­нии от колошника до горна. Загружен­ные в печь куски кокса в первую оче­редь теряют влагу. Этот процесс про­текает быстро — как только кокс на­гревается до IlO0C. После того как кокс нагреется до 300—400 °С, из него выделяются остатки летучих веществ органического происхождения: CH4, H2, СО, CO2. Летучие кокса и водяные пары разбавляют колошниковые газы и изменяют их состав. Когда кокс оказывается в зоне распара, в нем остаются только уг­лерод, зола, сера и фосфор.

Загружаемая в печь руда и агломерат содержат гиг­роскопическую влагу в свободном состоянии и в гидрат — ном — в соединениях. Гигроскопическая влага удаляется при нагреве материалов до температур несколько выше IOO0C. Удаление ее зависит от крупности кусков и пори­стости. Чем крупнее куски материалов, чем меньше их пористость, тем больше требуется времени для их про­грева и удаления влаги.

Гидратная влага находится в буром железняке, в марганцевой руде, в пустой породе, например в каоли­нитах глины Al2O3-SiO2-2Н20 и иногда во флюсах. Разложение гидратов Fe2O3-H2O; Al2O3-SiO2-2Н20 на­чинается при 200 0C и может заканчиваться при ^550 0C. Выделение гидратной влаги заканчивается при 1000°С. Поскольку в настоящее время в доменном процессе редко используются сырые руды и флюсы, то большого влияния на ход плавки выделение гидратной влаги не оказывает.

§ 1. Движение материалов в доменной печи

Шихтовые материалы, загружаемые на колошник до­менной печи, медленно двигаются вниз. Продолжитель­ность пребывания материалов в доменной печи составля­ет 4—6 ч. Опускание шихты происходит благодаря ос­вобождению объема из-за сгорания кокса, образования жидких продуктов плавки, уплотнения материалов. По­скольку основное количество кокса сгорает в фурменной области, то здесь и происходит основное движение ма­териалов. Скорость опускания на периферии печи боль­ше, чем по оси, например перемещение материалов по периферии колошника составляет до 140 мм/мин, а в центре 70—120 мм/мин. В верхней части горна около •фурм в шихте образуются кратеры — зоны сгорания кок­са. В центре столб шихтовых материалов, в основном кокс, постепенно погружается в жидкий шлак и выно­сится снизу к очагам горения.

Навстречу твердым материалам с большой скоростью по всему сечению печи движется газовый поток. Газы об­разуются при сгорании кокса около фурм. Длительность пребывания газа в доменной печи 3 с. За это время газы максимально отдают тепло холодным материалам и вос­станавливают оксиды металлов. Для равномерного рас­пределения газового потока по сечению доменной печи большое значение имеет газопроницаемость столба сы­рых материалов. Поскольку дутье поступает в печь в пе­риферийной области, то в первую очередь газы поднима­

Рис. 33. Распределение материалов в доменной печи:

А — в зависимости от величины зазора между кромкой конуса и стенкой колошника; б — в зависимости от уровня засыпи.

Ются вверх вдоль стенок печи, тем более, что газосопро­тивление в этой области меньше, чем в центральных час­тях печи. Для выравнивания сопротивления потоку газов стремятся загружать печь так, чтобы у стен располагал­ся более толстый слой агломерата, газосопротивление которого больше, чем у кокса, а в центральной части пе­чи находилось больше кокса. Распределение шихты на колошнике печи зависит от различных факторов.

Зазор между кромкой большого конуса и стенкой ко­лошника. Если посмотреть сверху на засыпанные в печь материалы, то можно увидеть неровную поверхность с кольцевым гребнем (рис. 33,а). При малом зазоре 6i между кромкой конуса и стенкой печи гребень засыпи приближается к стенке. При увеличении зазора до б2 гре­бень удаляется от стен, на периферию падают крупные куски шихты. Выбирают оптимальный зазор (800— 1050 мм) для того, чтобы не получал развития ни чрез­мерный осевой поток газа, ни периферийный.

65

Уровень засыпи в печи. Под уровнем засыпи понима­ется расстояние от кромки большого конуса в опущенном

5—398 состоянии до поверхности шихтовых материалов в печи. Это расстояние измеряется с помощью двух механичес­ких зондов, опущенных в печь. С увеличением высоты па­дения кусков шихты до Zi2 гребень засыпи приближается к стенам печи; наоборот, при малом расстоянии от кром­ки конуса до поверхности шихты hi гребень перемещает­ся к центру (см. рис. 33,6). Обычно уровень засыпи не превышает 1—2 м.

Влияние массы подачи. Распределение шихты в до­менной печи можно регулировать, изменяя количество материалов, единовременно ссыпаемых в печь с поверх­ности большого конуса. Кокс имеет меньший угол естест­венного откоса, чем агломерат, поэтому слой агломерата получается более толстым у стенок печи. С уменьшением массы подачи в центре можно создать зону, в которой не будет агломерата (только кокс). В этом случае газы пой­дут по оси печи. С увеличением массы подачи слой кокса в центре будет перекрываться агломератом и газовый поток от периферии будет отклоняться к стенкам печи.

Изменение порядка загрузки. От чередования загруз­ки агломерата, кокса, известняка также зависит распре­деление материалов. Все вместе взятое позволяет орга­низовать наилучшим образом ход печи. Возникающие в ходе кампании доменной печи неполадки: неравномер­ный ход, образование настылей на стенках и др. снижа­ют суточную выдачу чугуна. Если не принять должных мер, то нарушения равномерного хода домны усилива­ются и могут привести к серьезным осложнениям вплоть до остановки печи. Поэтому уметь правильно вести до­менную печь — это большое искусство, требующее не только хорошего знания процесса выплавки чугуна, но и большого производственного опыта.

§ 8. Очисткд доменного газа

Вместе с колошниковы­ми газами из доменной печи выносится большое количе­ство мелких твердых части­чек. Содержание пыли в га­зе достигает 60 г/м3. Такой газ нельзя использовать для работы отопительных уст­ройств. Газ необходимо очистить до содержания пы­ли 0,005 г/м3. Это осуществ­ляется при помощи системы

Рис. 28. Воздухонагреватель с выносной камерой горения:

1 — камера насадки; 2— каме­ра горения; 3— штуцер клапа­на горячего дутья; 4 — штуцер газовой горелки; 5 — штуцер дымового клапана

Очистки, которая может иметь три ступени.

Первая ступень очистки доменного газа до содержания 1— 3 г/м3 проводится в пылеуловителе или циклоне. Пылеуловитель (рис. 29) представляет собой цилиндрический сосуд диаметром около 10—15 м и высотой 12 м. Очистка газа происходит под действием си­лы тяжести. При поступлении газа в большой объем скорость га­зового потока резко уменьшается и пыль осаждается на дне пыле­уловителя. В циклоне с тангенциальным подводом газа (рис. 30) поток газа вращается по окружности. Вследствие центробежной силы частицы пыли отбрасываются на стенки циклона и, встречая препятствие в виде приваренных по окружности стальных уголков, падают вниз. Для того, чтобы газовый поток, уходящий в централь­ную трубу со сравнительно большой скоростью, ие увлекал за собой пыль, в нижней части пылеуловителя устанавливается зонт в виде конуса.

Рис. 29. Схема устройства пылеуловителя: Рис. 30. Схема устройства циклона:

/ — газопровод; 2, 3 — трубы; / — подвод газа к пылеуловителю;

4 — пылеуловитель 2 — предохраняющий конус

Вторая ступень очистки понижает содержание пыли до 0,5 г/м3. Она осуществляется в скрубберах путем смачивания частичек пыли водой и удаления их в виде шлама. Схема скруббера представлена на рис. 31. Скруббер представляет собой металлический резервуар высотой до 35 м и диаметром 4—6 м. Внутренняя полость скруббера заполнена несколькими ярусами деревянных насадок. Насадки оро­шаются брызгалами, установленными в верхней части. Грязный газ нз сухого пылеуловителя с большой скоростью поступает в нижнюю часть скруббера радиальио под углом 50°. Крупные частицы пыли, соприкасаясь с водой, смачиваются и осаждаются на диище, а мел­кие частицы вместе с газом поднимаются вверх. Навстречу газу движутся мелкие капли воды, образующие туман. Вода, соприка­саясь с горячи» газом, испаряется и насыщает газ парами. Мелкие частицы увлажняются, прилипают к насадкам и смываются струями воды в нижнюю часть скруббера, откуда в виде шлама через водо­слив направляются в отстойные бассейны. Очищенный и охлажден­ный до 40 0C газ выходит из скруббера и направляется к агрегатам тонкой очистки. Получают распространение и безнасадочные скруб­беры, в которых устанавливают внутри четыре ряда эвольвентио расположенных форсунок, через которые подают воду с избыточным давлением 3 МПа для хорошего ее распыления.

Рнс. 31. Скруббер для полутонкой очистки:

1 — газопровод для получистого газа; 2— брызгала; 3— насадка; 4 — газо­провод грязного газа; 5 — водослив

Рис. 32,. Труба Вентури

Тонкая очистка газа до 0,005 г/м3 осуществляется в трубах-рас­пылителях Вентури. Труба-распылитель (рис. 32) представляет со­бой вертикальную или горизонтальную трубу с пережимом. В пере­жим трубы, в котором скорость газа увеличивается в 2—3 раза, через специальные форсунки под большим давлением перпендикулярно га­зовому потоку подается вода.

Турбулентное движение газа и водяной туман создают благо­приятные условия для смачивания пылинок, которые осаждаются на выходе из трубы и уходят в виде шлама в отстойник. При работе доменной печи на повышенном давлении газа под колошником после Труб Вентури устанавливают дроссельное устройство с клапанами. Оно создает повышенное давление газа в трубопроводах и в домен­ной печи. В дроссельное устройство также подают воду для пылеза — держания. Большая скорость газа в дроссельном устройстве и рез­кое изменение направления его движения способствуют выделению пыли из газа и коагуляции пылннок

Кроме труб Вентури, применяют электрофильтр. Электрофильтр представляет собой металлический цилиндр, внутри которого распо­ложен набор металлических трубок. Трубки являются положитель­ным электродом. Внутри трубок протянута проволока — отрица­тельный электрод. Диаметр трубок составляет 325 мм и длина 4 м. К электродам подводят ток напряжением 50—100 кВ, возникает коронный разряд, газ ионизируется. Отрицательные ионы газа осаж­даются на частицах пыли и влаги, сообщая им отрицательный за­ряд, и частицы осаждаются на стенках трубок. Пыль с анодов-тру­бок удаляют встряхиванием в сухих электрофильтрах и Смыванием водой в мокрых. Сочетание в системе очистки циклона, безнасадоч — ного скруббера, трубы Вентури, электрофильтра и дроссельного уст­ройства позволяет получать газ с содержанием пыли не более 0,002 г/м3.

Очищенный газ идет на отопление воздухонагревателей доменно­го цеха (15—30 °/о) ¦> коксовых печей (30%), нагревательных колод­цев и печей прокатных цехов (20—25 %) и на другие нужды завода.

§ 7. Подача воздушного дутья в печь и его нагрев

Современные доменные печи для своей работы требу­ют огромного количества воздуха. Объем воздушного дутья достигает 2,4 м3/мин на 1 м3 объема печи, так что для печи объемом 5000 M3 требуется подача воздуха 10—12 тыс. м3/мин. Для подачи такого большого коли­чества дутья доменный цех имеет специальную станцию дутья, в которой установлены центробежные машины — турбовоздуходувки с газотурбинным или паротурбинным подводом. Воздуходувка представляет собой турбину с несколькими дисками, снабженными лопатками. При вращении колеса воздух благодаря центробежной силе перемещается от центра к периферии. При этом происхо­дит уплотнение воздуха и увеличение скорости его дви­жения. Частота вращения ротора, на котором насажено несколько колес, составляет 3000 мин-1. Одна машина может подавать до 7000 м3/мин при давлении 400 кПа (4,5 атм). Перед входом в турбины воздух очищается от пыли. Воздушное дутье обогащают кислородом, который получают на кислородной станции завода и подают либо на всасывающую сторону турбовоздуходувки, либо к воз­духонагревателю. Воздух, подаваемый в доменные печи, подогревают до 1200—1300 °С. ЦТодогрев осуществляется в воздухонагревателях, называемыми кауперами, в-ч^сть ХауПера, BTilipBbieTTmiTqtrBfflero патент на р"ёГеттерЗтивный воздушный нагреватель.

Схема воздухонагревателя представлена на рис. 27. Воздухонагреватель работает на принципе регенерации тепла. Сначала в нем сжигают газ. Во время нагрева воздухонагревателя в камеру сгорания через горелку поступает смесь газа и воздуха, которая воспламеняется от соприкосновения с раскаленными стенками воздухона­гревателя. Под куполом аппарата продукты горения за­ворачивают вниз и проходят через насадку, находящую­ся на решетке, которая расположена на колоннах. Из поднасадочного пространства продукты горения по двум каналам уходят в дымовой боров и оттуда в дымовую трубу. Когда насадки достаточно нагреваются и темпе­ратура под куполом достигнет 1600°С, прекращают пода­чу газо-воздушной смеси и переключают воздухонагрева­тель на холодное дутье. Воздух поступает через клапан в поднасадочное пространство, проходит через насадку снизу вверх, заворачивает в камеру сгорания и через тру­бопровод горячего дутья направляется к доменной печи. Благодаря соприкосновению с горячими насадками воз­дух нагревается.

Наружный диаметр воздухонагревателя составляет 9—11 м, а общая высота аппарата 50—55 м. Снаружи аппарат заключен в герметичный кожух из листовой ста­ли толщиной до 30 мм, изнутри он футерован огнеупор­ным кирпичом. Внутренняя полость аппарата разделена на две части. Камера сгорания может иметь круглое или эллиптическое сечение, площадь которого составляет 15—20% от общей площади внутреннего сечения возду­хонагревателя. Стены камеры сгорания выполнены из двух слоев кирпича — наружного шамотного и внутрен­него высокоглиноземистого. Большую часть аппарата внутри занимает огнеупорная насадка из шамотного кир­пича. Из кирпича выкладывают ячейки сечением 45Х X45 мм н толщиной стенки между каналами 40 мм. Верхнюю часть насадки выкладывают из высокоглино­земистого или динасового кирпича. Для повышения эф­фективности теплообмена насадку выполняют также из шестигранных огнеупорных блоков с круглыми отверсти­ями из материала, содержащего до 72 % Al2O3. При этом поверхность нагрева увеличивается на 31 %, температу­ра дутья повышается на 50 °С, что увеличивает произво­дительность печи на 1 % и снижает расход кокса на 8— 10 кг/т чугуна. Для отопления воздухонагревателей ис­пользуют очищенный доменный газ и смесь его с природ­ным или коксовым газом.

Рис. 27. Разрез воздухонагрева­теля:

1 — камера горения; 2 — подку- польное пространство; 3 — на­садка; 4 — поднасадочная ре­шетка; 5 — выпускной клапан; 6 — дымовые клапаны; 7 — кла­пан холодного дутья; 8 — кла­пан горячего дутья; 9 —люк для зажигания газов; 10 — го­релка

Для увеличения полезной площади насадки и тепло­вой мощности воздухонагревателей строятся воздухона­греватели с выносными камерами горения (рис. 28), в этих аппаратах поверхность нагрева достигает 87,5 тыс. M2, в обычном — 55,5 тыс. м2.

По мере охлаждения насадки каупера температура воздушного дутья снижается, что недопустимо для нор­мальной работы доменной печи. Поэтому воздух нагрева-

J

60

Ют в воздухонагревателе до более высокой температуры и для поддержания нужной температуры дутья подмеши­вают к горячему дутью холодный воздух. Дозировка хо­лодного воздуха осуществляется автоматически. Нагрев воздухонагревателя продолжается в два раза дольше» чем подогрев воздуха. Поэтому для непре­рывной подачи дутья на печи должно быть не менее трех возду­хонагревателей. Фак­тически же устанавли­вают 4 аппарата, или 7 на две печи, имея один аппарат в резерве.

§ 6. Разливочные машины

Большая часть чугуна, выплавляемого в доменной печи, направляется в передельные мартеновские или кон­вертерные цехи, но часть чугуна отправляется с метал­

Лургического завода в слитках. Чугунные слитки — чуш­ки отливаются на разливочных машинах. Машина пред­ставляет собой двухленточный наклонный конвейер из чугунных форм — мульд, прикрепленных к шарнирно — пластинчатым бесконечным цепям. Цепи опираются на ролики. Схема машины представлена на рис. 26. Муль­да имеет борт, перекрывающий зазор между смежными мульдами, что обеспечивает создание непрерывного по­лотна конвейера, исключающее выплески чугуна из мульд при разливке. Наклон ленты в 14° позволяет чугу­ну из верхних мульд переливаться в нижние, что регули­рует заполнение мульд чугуном. Ленты приводятся в движение при помощи ведущих звездочек.

Разливка чугуна осуществляется наклоном ковша через носок. Струя металла поступает на Т-образный же­лоб, направляющий два потока чугуна на ленты машины.

По мере продвижения к разгрузочному концу машины чугун в мульдах застывает, покрывается сверху коркой. Для ускорения полной кристаллизации мульды полива­ют водой из расположенных над конвейером брызгал. Скорость движения машины рассчитана таким образом, чтобы за время нахождения чугуна в мульде он успел полностью затвердеть. При переворачивании мульды на разгрузочном конце машины чугунная чушка вывалива­ется из нее и падает на направляющий желоб, по кото­рому идет в железнодорожный вагон. Для предотвраще­ния возможного приваривания чугуна к мульдам при движении мульд по нижней ветви машины производится опрыскивание их известковым раствором. Для подсуши­вания мульд перед заливкой чугуна они прогреваются газовыми горелками, расположенными в нижней части машины. Производительность двухленточной машины достигает 1800 т/сут.