Статьи | Металлолом — Part 97

‘ Повысить производительность доменной печи можно следующими методами: 1) улучшением подготовки и ка – г чества сырых материалов; 2) повышением температуры дутья; 3) увлажнением дутья или поддержанием влаж­ности дутья на одном уровне; 4) вдуванием природного газа одновременно с повышением температуры дутья и обогащением дутья кислородом; 5) обогащением дутья кислородом; 6) вдуванием угольной пыли и мазута; 7) повышением давления газов под колошником домен­ной печи.

Улучшение подготовки и качества сырых материалов

Основные мероприятия в области подготовки сырья должны быть направлены на повышение прочности агло­мерата, отсев мелких фракций, улучшение однородности гранулометрического состава, обеспечение постоянного среднего химического состава сырья. Повышение содер­жания железа в сырье на 1 % сопровождается повыше­нием производительности печи на 2,5 % и снижением расхода кокса на 1,5—2,0 %. Замена обычного агломе­рата офлюсованным позволяет исключить из шихты до­менной печи известняк. Снижение расхода известняка на 100 кг/т чугуна приводит к снижению расхода кокса на 3 %• Понижение содержания мелочи в шихте улучша­ет газопроницаемость столба шихтовых материалов и обеспечивает более равномерный ход газов в шахте печи. Уменьшение содержания мелочи в агломерате на 10 % приводит к увеличению производительности доменной печи на 10 %• Немаловажное значение имеет и улучше­ние качества кокса. Чем прочнее кокс, тем лучше рабо­тает печь. Необходимо принимать меры к снижению со­держания в коксе золы и серы. Каждый килограмм се­ры, выведенный из состава шихты, дает экономию ~17—20 кг кокса, а снижение содержания серы в кок­се на 1 % приводит к уменьшению его расхода на 2,5 % и на столько же повышает производительность печи.

Применение высоконагретого дутья

Впервые нагрев дутья в доменной плавке применили в 1829 г. Первоначально дутье подогревали лишь до 1500C. По мере развития конструкций воздухонагрева­телей температура дутья постепенно повышалась и в на­стоящее время достигла 1350 °С. Повышение температу­ры дутья является одним из самых действенных факто­ров по снижению расхода кокса. С горячим дутьем в доменную печь поступает большое количество физичес­кого тепла. Это заменяет тепло, которое получают от сжигания кокса. Причем для создания такого количества тепла в горне доменной печи, которое вносится с возду­хом, необходимо было бы получить тепла от сжигания топлива больше, чем вносится с дутьем, так как при сжигании топлива образуются газы, которые, уходя из доменной печи, уносят часть тепла. В то же время тепло дутья практически полностью используется на прямое восстановление элементов, перевод серы в шлак и нагрев чугуна и шлака.

В свою очередь уменьшение расхода кокса снижает количество образующегося шлака благодаря уменьше­нию количества золы кокса и расхода флюса на ее ошла – кование. Чем меньше количество шлака, тем меньше расход тепла на его образование и нагрев, на испарение влаги и ошлакование серы, так как их меньше вносится коксом.

6*

83

При повышении температуры дутья от 1000 до 1200 0C расход кокса снижается на 4,5 %. В ближайшее время ставится задача повысить температуру дутья до 1250— 14000C, что потребует разработки новых конструкций воздухонагревателей и более стойких огнеупоров.

Обогащение дутья кислородом

Первые работы в мире по обогащению доменного дутья кислородом были проведены в СССР под руководством акад. И. П, Бардина.

С повышением содержания кислорода в дутье увели­чивается количество сжигаемого кокса и материалов, проплавляемых в единицу времени, вместе с тем умень­шается количество тепла, выносимого с балластным азо­том из горна печи. Температура в горне значительно повышается, улучшается отдача тепла от горновых газов шихте и газы приходят к колошнику печи более холод­ными. При обогащении дутья кислородом можно увели­чить общее количество дутья, подаваемого в печь в единицу времени, что будет способствовать повышению производительности печи. Однако только обогащение дутья кислородом эффективно лишь при выплавке до­менных ферросплавов, так как высокая температура в горне печи обеспечивает преимущественное развитие процессов прямого восстановления трудновосстановимых оксидов, что ограничивает повышение температуры н горне. Высокая газопроницаемость шихты благодаря бо­лее высокому расходу кокса при выплавке ферроспла­вов позволяет значительно форсировать ход печи.

При выплавке передельных чугунов в результате рез­кого повышения температуры в горне проходимость га­зов через слои шихты снижается. Кроме того, при темпе­ратуре ~20000C происходит интенсивная возгонка монооксида кремния SiO. Он конденсируется в зонах с более низкой температурой в виде тонкодисперсных час­тиц, уменьшающих газопроницаемость шихты. При по­вышении содержания кислорода в дутье на 2—3 % печь работает хуже. Повышение концентрации кислорода в дутье >23—24 % при выплавке передельного чугуна со­провождается замедлением плавки и подвисанием ших­ты. Для устранения этих нежелательных явлений и по­вышения производительности печи необходимо с дутьем вдувать добавки, понижающие температуру в горне. При этом возможно довести содержание кислорода в дутье до 35%. Такими добавками являются природный газ и мазут. При увеличении содержания кислорода в дутье до 30% производительность печи повышается на 10%, а расход кокса уменьшается на 9 %.

На Новолипецком металлургическом комбинате со­держание кислорода в дутье доведено до 35 % (209м3/т), расход природного газа составляет 150 м3/’т.

Вдувание в печь природного газа

Самой дорогой составляющей шихты доменного про­цесса является кокс. На долю кокса приходится 40— 50 % себестоимости передельного чугуна. Наиболее эф­фективным методом снижения расхода кокса является применение природного газа. Вдувание его в горн через фурмы вместе с нагретым дутьем получило наибольшее распространение. Природный газ состоит в основном из метана CH4 (>90 %). При попадании в зону высокой температуры метан разлагается по реакции CH4=C+ +2Н2. Углерод сгорает: 2С + 02=2С0 и суммарная ре­акция сгорания природного газа может быть выражена уравнением 2СН4+02 = 2С0+4Н2. В результате этой реакции горновой газ обогащается восстановительными газами. При сжигании природного газа возрастает коли­чество доменных газов, если сравнивать в пересчете на 1 кг углерода, что затрудняет опускание шихты в домен­ной печи. Использование природного газа приводит к понижению температуры горения у фурм. Само по себе использование природного газа в доменной печи не при­водит к заметному повышению производительности до­менной печи. Для получения необходимого эффекта вду­вание природного газа должно сопровождаться либо повышением температуры дутья, либо обогащением дутья кислородом. Эффективность использования при­родного газа в доменной печи заключается в увеличении содержания восстановителей в доменном газе, повыше­нии доли реакций косвенного восстановления оксидов, что обеспечивает снижение расхода кокса.

Наибольшая доля в экономии кокса получается от увеличения косвенного восстановления благодаря повы­шению содержания водорода в горновых газах. Если при обычном дутье участие водорода в косвенном восста­новлении составляет 7—9 %, то при вдувании природно­го газа оно возрастает до 25—30 %. Применение комби­нированного дутья, состоящего из воздуха, обогащенного кислородом, и природного газа, решает проблемы, воз­никающие при использовании природного газа и кислоро­да по отдельности. Так, применение природного газа со­провождается увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а обогащение дутья кислородом ограничивается, наоборот, чрезмерным по­вышением температуры в горне. При этом объем горно­вого газа уменьшается. Совместное же применение этих двух интенсификаторов позволяет усилить положитель­ный эффект каждого из них и взаимно компенсировать их недостатки. Однако необходимо строго регламентиро­вать расход природного газа и кислорода с учетом дру­гих условий работы печи (качество сырья, нагрев и влажность дутья и т. п.). Для сохранения ровного фор­сированного хода печи на каждый кубический метр вду­ваемого природного газа повышают расход кислорода на 1,6—2,0 M3j при этом расход дутья уменьшают на 1,5—1,8 %• Расход природного газа на дутье обогащен­ным кислородом до 30% составляет —150—200 м3/т чугуна.

Использование мазута и каменноугольной пыли

На многих доменных печах через воздушные фурмы при помощи форсунок с успехом вдувают в печь мазут. Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. При горении мазута в печь вносится больше тепла, чем при горении природного газа, углерод мазута заменяет часть углерода кокса, водород усилива­ет косвенное восстановление оксидов. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 10—12 %•

Более перспективным методом является вдувание в печь каменноугольной пыли. Количество пыли, вводимой в печь, составляет 60—80 кг/т чугуна, что понижает рас­ход кокса примерно на такое же количество. Вдувание угольной пыли требует разработки процессов ее подго­товки: измельчения, осушения, транспортировки. Еще более эффективным средством снижения расхода кокса является совместное применение природного газа и угольной пыли.

Повышение давления газов в печи

Этот способ интенсификации был впервые предложен инженером П. М. Есманским в 1915 г., но долгое время он не использовался, а только в 1941 г. по инициативе И. И. Коробова (директора завода им. Петровского) были начаты промышленные опыты. В настоящее время этот способ широко используется на заводах СССР. По­вышение давления газа в печи значительно увеличивает производительность печи и несколько снижает расход кокса.

Для повышения давления газа в доменной печи ис­пользуется специальное дроссельное устройство на газо­проводе очищенного колошникового газа. Это позволяет увеличить количество воздуха, подаваемого в печь. Как известно, увеличение расхода дутья означает более фор­сированный ход доменной печи, более быстрое проплав – ление материалов, увеличение суточной выплавки чугу­на. Расход кокса снижается потому, что улучшается ис­пользование газов в печи. При повышении давления объем газов уменьшается, снижается скорость их движе­ния, что приводит к увеличению длительности пребыва­ния газов в печи и уменьшению потерь напора — пере­пада давления при прохождении газа через столб ших­ты. До перехода на повышенное давление печи работали форсированно, скорость газов в печи была настолько ве­лика, что при дальнейшем ее увеличении нарушалось плавное опускание столба сырых материалов, возникали расстройства хода печи.

Повышение давления в печи можно иллюстрировать следующим примером: без повышенного давления на ко­лошнике давление газа составляло 110 кПа, при этом давление дутья у фурм составляло 230 кПа, т. е. пере­пад давления Др=р0Р—рк = 230—110=120 кПа.

При повышении давления газа под колошником печи до 250 кПа стало возможным повысить давление дутья у фурм до 350 кПа, т. е. на 40 %, при этом перепад дав­ления даже уменьшился: Др = 350—250=100 кПа.

Кроме повышения производительности печи и сниже­ния расхода кокса, повышение давления способствует уменьшению выноса пыли вследствие снижения скоро­сти газов на колошнике. В настоящее время новые печи работают с давлением газа на колошнике >250 кПа, что позволило повысить их производительность на 4—15 % и снизить расход кокса на 3—7 %, при этом вынос пыли уменьшился на 20—50 %•

Совершенствование методов управления процессом

Современная доменная печь является высокомехани­зированным агрегатом. Управление многими процессами автоматизировано и осуществляется без вмешательства человека. Так, работой доменной печи № 9 объемом 5000 м3 Криворожского завода управляет вычислитель­ная машина.

Для дальнейшей интенсификации процесса перспек­тивным методом является автоматизация управления распределения материалов на колошнике. Вычислитель­ная машина управляет по программе работой вращаю­щегося распределителя шихты.

Дутье и природный газ автоматически распределяют­ся по фурмам, регулируется соотношение дутье — при­родный газ. При совершенствовании распределения дутья по окружности печи производительность печей уве­личивается на 2—4 % и расход кокса снижается на 1— 3 %•

Недостатком систем распределения дутья по фурмам является низкая стойкость дроссельных клапанов, кото­рые при температуре дутья 12000C требует замены че­рез два—три месяца работы. Необходимо изыскивать более жаропрочные материалы для конструкции клапа­нов. В настоящее время можно ставить задачу комп­лексной автоматизации всего доменного процесса; при­менение ЭВМ позволит управлять также и тепловым режимом печей.

Через фурмы доменной печи подают горячее воздуш­ное дутье при температуре 1000—1200 °С. Непосредст­венно перед фурмами печи происходит сгорание кокса,

Образуются окислитель­ные зоны. Кокс в этих зонах сгорает во взвешен­ном состоянии. Из рис. 36 видно, что вблизи фурм образуется полость, в ко­торой происходит вихре­вое движение газов, при­водящее к циркуляции кусков кокса. Куски кок­са переносятся потоками воздуха от фурм, а на их место попадают раска­ленные до 15000C другие куски кокса и здесь сгора­ют. При сгорании разви­ваются температуры до 20000C. Глубина зоны достигает 1500 мм. Во­круг зоны циркуляции располагается область, в газовой фазе которой со­держится CO2. Простран­ство перед фурмами, в котором происходит оки­сление углерода кокса кислородом дутья и CO2, называется окислительной зоной, схема которой представлена на рис. 37. Сердце­вину окислительной зоны составляет кислородная зона, вокруг нее расположена углекислотная зона.

A-A

Рие. 36. Схема циркуляции кокса у фурмы дощенной печи:

А — по вертикали; б — в плане

По мере удаления от фурм в условиях высокой тем­пературы и избытка углерода CO2 взаимодействует с углеродом и восстанавливается до СО. Если увеличи­вать давление дутья, повышать температуру и содержа­ние кислорода в воздухе, то размеры окислительной зо­ны будут уменьшаться. Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в результате контакта с окислитель­ными газами. Суммарная реакция сгорания представле­на уравнением 2С+02 = 2С0—220500 Дж.

Рис. 37. Схема окислительной зоны перед фурмой доменной печи: /—кислородная зона: 2 — углекислотная зона

Рис. 38. Изменение состава газа и температуры в зоне горения у фурм домен­ной печи

При использовании сухого воздуха состав горнового газа будет следующим: 34,7 % СО; 65,3 % N2. Обогаще^ ние дутья кислородом способствует повышению СО в га­зе и соответственно восстановительное действие газа воз­растает. При увлажнении дутья происходит разложение H2O углеродом по реакции H2O+C = H2+ СО. При ис­кусственном увлажнении дутья до 3—4 % для интенси­фикации процесса содержание водорода в газах достига­ет 2—3 %.

81

При использовании природного газа содержание во­дорода и СО в доменном газе возрастает. Однако это не повышает температуру в фурменной зоне, так как обра­зующиеся при сгорании водорода и СО водяной пар и CO2 разлагаются углеродом до СО и H2 с затратой теп­ла. Незначительный приход тепла получается при сгора­нии углеводородов, например при сгорании метана: CH4+0,5 O2 = СО + 2Н2—76030 Дж, т. е. на 1 м3 метана

6—398

Выделяется 1658 кДж, в то время как при сгорании 1 кг углерода кокса выделяется 9220 кДж тепла.

Перед фурмами доменной печи состав газов изменя­ется примерно так, как показано на рис. 38. По мере удаления от торца фурм содержание кислорода непре­рывно уменьшается и на расстоянии 800—1250 мм он полностью исчезает. У самого устья фурмы в газе появ­ляется CO2. Содержание CO2 достигает максимума при расстоянии 500—800 мм; на расстоянии около 1500 мм CO2 полностью исчезает. Содержание СО увеличивается к центру печи не только вследствие сгорания кокса, но и в результате реакций восстановления оксидов. Средний состав горновых газов следующий: 35—45 % СО; 1— 12 % H2 и 45—64 % N2, температура газа составляет — 1600 0C. По мере того как газ поднимается вверх, он отдает свое тепло шихтовым материалам, СО и H2 рас­ходуются на восстановление оксидов, превращаясь в CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, содержат 18 % CO2, 20—30 % СО; 2—8% H2; 0,2—0,5% CH4; -50% N2.

При обогащении дутья кислородом содержание азо­та в газе понижается, а концентрация остальных состав­ляющих возрастает.

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.

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.

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.

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 %.

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