Компонент шихты для удаления из доменной печи

Обновлено: 15.05.2024

Расчет доменной шихты

Химический состав компонентов шихты. Определение состава доменной шихты. Составление уравнений баланса железа и основности. Состав доменного шлака, его выход и химический состав. Анализ состава чугуна и его соответствие требованиям доменной плавки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	контрольная работа
Язык	русский
Дата добавления	17.05.2015
Размер файла	88,4 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Расчет доменной шихты

1. Исходные данные для расчета

Доменная шихта состоит из трех основных частей: железорудный материал (ЖРМ), состоящий обычно из агломерата и окатышей, флюс и твердое топливо. В составе шихты могут также использоваться различные добавки, прежде всего, отходы металлургического производства.

а) Химический состав компонентов шихты

Железорудный материал содержит 80 % агломерата с содержанием железа 54,8 % и 20 % окатышей с содержанием железа 62,30% . Среднее (средневзвешенное) содержание железа в смеси составляет: 54,8· 0,8 + 62,3· 0,2 = 56,3 %.

Содержание Fe₂O₃ в железорудном материале находят следующим образом:

в агломерате

Fe₂O₃ = (Fe_общ - FeO· 56 / 72) 160 / 112=(62,3-2,95·56/72)·160/112=85,72%

Для получения наиболее точного результата расчета сумма всех составляющих (оксидов) каждого компонента шихты должна быть равна 100 %.

в агломерате

Технический состав карагандинского кокса: зола (А) - 13,10 %; летучие (V) - 0,80 %;

сера (S) - 0,68 %; углерод (C) - 85,42 %; влага -3%.

Химический состав золы: SiO₂ - 49,5%; Al₂O₃ - 28,30 %; CaO - 9,06 %; MgO - 1,20 %;

Удаление серы в доменной печи и внедоменная десульфурация чугуна

Современное сталеплавильное и литейное производства требуют чугунов с низким содержанием серы.

Сера вносится в доменную печь в виде сульфидов (FeS₂, FeS, MnS), присутствующих главным образом в железосодержащих материалах, сульфатов (CaSO₄, BaSO₄ и др.), содержащихся преимущественно в золе кокса, а также в виде органической серы, находящейся в горючей массе кокса. Главная доля серы вносится в шихту коксом. Содержание серы в шихте составляет в среднем 8—9 кг на 1 т образующегося чугуна.

По мере продвижения шихтовых материалов по высоте печи наблюдается перераспределение серы между фазами. При умеренных температурах происходит разложение высших сульфидов, а также частичное взаимодействие сульфидов с окислителями с выделением серы в газовую фазу. Наиболее характерными из этой группы реакций являются следующие: 2FeS₂ = 2FeS + S₂ (до 600° С); FeS + 10Fe₂O₃ = 7Fe₃O₄ + SO₂

Сульфаты сильных оснований кальция и бария являются сравнительно прочными, однако в присутствии восстановителей и сульфидов они также могут подвергаться разложению, приводящему к переходу серы в газовую фазу. Типичными реакциями превращений сульфатов являются следующие: CaSO₄ + 4С = CaS + 4СО, 3CaSO₄ + CaS = 4СаО + 4SO₂.

В газовую фазу переходит некоторая часть серы, содержащейся в шихтовых материалах. Кокс к моменту достижения им горизонта фурм теряет до 50% S, а иногда и более. Остальное количество серы кокса окисляется при его горении у фурм с образованием SO₂.

Однако по пути движения серосодержащих газов к колошнику происходит дальнейшее перераспределение серы с возвращением ее в шихтовые материалы. Сернистый ангидрид SO₂, взаимодействуя с углеродом и частично с водородом, образует газообразные продукты восстановления различного состава. В их числе находится элементарная сера, а также CS, CS₂, COS, HS, H₂S. Эти газообразные вещества энергично поглощаются опускающимися твердыми материалами: железной рудой и агломератом. Продукты взаимодействия серосодержащих газов и твердых материалов CaS и FeS вместе с кусками шихты доходят до области образования жидких фаз.

Количество серы, удаляющееся с газовой фазой через колошник, при производстве мартеновских и конвертерных чугунов сравнительно невелико — от 5 до 10% от общего содержания серы в шихте. Остальное количество серы распределяется между чугуном и шлаком. При производстве литейных чугунов с газовой фазой может удаляться до 15—20% от общего содержания серы, при производстве высокомарганцовистых и кремнистых ферросплавов эта величина повышается до 40%.

Удалению серы с газовой фазой способствует высокая температура доменного процесса, а также в некоторой степени уменьшение количества шлака и понижение его основности. Очевидно, основную роль при повторном поглощении серы из газовой фазы играет СаО. Уменьшение количества шлака на 100 кг или снижение его основности на 0,1 сопровождается увеличением выноса серы из печи с газами на 5%.

Однако при снижении основности ухудшается извлечение серы из металла в шлак по реакции

[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO); ∇G° = —1800—0,67 T дж/моль

(—430—0,16 T кал/моль).

Протеканию этой реакции, за счет которой удаляется большая часть серы из чугуна, способствуют повышенные содержания СаО в шлаке.

В условиях доменной печи образующаяся закись железа восстанавливается углеродом кокса и чугуна: [FeO] + С = [Fe] + + СО.

Могут протекать также реакции восстановления FeO кремнием и марганцем чугуна. Тепловой эффект суммарной реакции с участием углерода Fe + СаО + С = CaS + Fe + СО является отрицательным и составляет —141 800 дж (—33 730 кал) (без учета растворения реагирующих веществ). Это обусловливает большую полноту десульфурации чугуна окисью кальция шлака при более высокой температуре. Благоприятные условия для десульфурации чугуна создаются в горне доменной печи после выделения серы кокса при горении у фурм. Содержание серы в чугуне при выпуске в 3—4 раза меньше, чем на уровне фурм.

Основными факторами борьбы с серой в доменной печи являются повышенная основность шлака и высокий температурный режим горна. Первое достигается повышением количеств СаО в шихте, а второе — повышением расхода кокса, увеличением температуры дутья, обогащением дутья кислородом и другими мероприятиями, способствующими большему нагреву горна. Положительные результаты достигаются при одновременном повышении температуры в горне и основности шлака, что связано с возрастанием вязкости доменных шлаков при увеличении их основности без повышения температуры.

Сложная система взаимодействующих в горне фаз не успевает приходить в равновесие по сере. Скорость процесса в сильной мере зависит от вязкости менее подвижной шлаковой фазы, а также от поверхности и времени ее контакта с чугуном. Более основный, но более вязкий шлак дает худшие показатели десульфурации (рис. 39). Меры, способствующие понижению вязкости шлака без снижения его основности приводят к более полной десульфурации. Так, повышение содержания MgO до 6% оказывает разжижающее воздействие. Поэтому при производстве агломерата целесообразно применять доломитизированный известняк, содержащий, кроме СаО, еще и MgO.

При содержании до 10% Al₂O₃ жидкоподвижность горнового шлака также повышается, а при более высоких концентрациях (до 17—20%) создаются трудноплавкие первичные шлаки, способствующие лучшему нагреву горна.

Поверхность взаимодействия шлака и металла относительно велика при опускании капель чугуна через слой шлака, т. е. при так называемой верхней десульфурации. После слияния капель чугуна с основной его массой под слоем шлака поверхность взаимодействия уменьшается и последующая нижняя десульфурация происходит более медленно.

В целом доменная печь является агрегатом, в котором создаются благоприятные условия для удаления серы из чугуна. При выплавке различных видов чугуна и ферросплавов коэффициент перехода серы в шлак k_S = S_шл ⁄ S_шл + S_ч составляет для мартеновского чугуна 0,88—0,96, литейного чугуна 0,97—0,99, ферросилиция и ферромарганца 0,99.

Наибольшие величины k_s отмечаются при выплавке высокотемпературного продукта с высоким содержанием марганца и особенно кремния. При выплавке обычных передельных чугунов содержания кремния и марганца невелики, температуры в горне понижены и величины k_s соответственно меньше.

Возрастающие требования к чугунам по сере при одновременном снижении в них содержаний кремния и марганца приводят к целесообразности проведения более глубокой десульфурации после выпуска чугуна из доменной печи. При этом печи могут работать с пониженной основностью шлака, что позволяет уменьшить его количество, обеспечить устойчивость свойств и снизить расход кокса. Такие условия создаются при освоении внедоменной десульфурации чугуна.

Внедоменная десульфурация чугуна

На практике разработан ряд способов десульфурации жидкого чугуна после выпуска его из доменной печи. Во всех случаях эта операция предшествует сталеплавильным процессам, так как для расплава с высоким содержанием углерода она оказывается более эффективной вследствие повышенной термодинамической активности серы и сохранения восстановительных условий, способствующих десульфурации.

Наибольшее распространение получила внепечная десульфурация содой, вводимой в желоб во время выпуска чугуна из печи или предварительно засыпаемой в ковш для приема чугуна. При этом процесс десульфурации происходит по реакции

Выделяющиеся по реакции газы способствуют дополнительному перемешиванию расплава. Сода добавляется в количестве, в три и более раз превышающем расчетное для удаления всей серы, в связи с неполным усвоением. Процесс завершается за 10—12 мин. Избыток активной Na₂O в шлаке приводит к разъеданию футеровки ковша и обратному переходу серы в чугун, что предопределяет необходимость удаления содового шлака. Вследствие значительных добавок и эндотермичности процесса происходит понижение температуры чугуна на 30—50 град. Этим способом можно достичь степени десульфурации 90%.

Другими применяемыми реагентами являются карбид кальция, вводимый в чугун в измельченном виде в струе инертного азота, и особенно твердая известь, которую более эффективно можно использовать в специальных вращающихся печах. Она присаживается на поверхность чугуна в печи для десульфурации вместе с мелким коксиком, создающим восстановительную атмосферу.

В отличие от обработки содой, здесь используется дешевый материал и не происходит загрязнения атмосферы, но требуется довольно сложное оборудование. Из-за затруднений в подготовке дешевых и активных десульфураторов или необходимости дополнительного оборудования внедоменная десульфурация еще не получила должного промышленного применения.

Процессы прямого восстановления железа

Способы прямого восстановления железа, характеристика продукции и сырья

Под процессами прямого восстановления железа понимают такие процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды металлическое железо, минуя доменную печь. Способы прямого получения железа позволяют вести процесс не расходуя металлургический кокс, заменяя его другими видами топлива.

Известно, что использование железа прямого восстановления при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл без примесей серы и фосфора, пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.). В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа.

Железо прямого восстановления (или губчатое железо) в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных СDRI (Сool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа НBI (Hot Briquetted Iron).

Рис.38. Внешний вид железа прямого восстановления СDRI (а),HDRI (б) и НBI (в)

Окатыши СDRI (рис. 38 а) получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь.

Окатыши HDRI (рис. 38 б) выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположенную рядом электропечь при температуре 600º С и выше.

Горячебрикетированное железо НBI (рис. 38 в) получается путем прессования брикетов размерами 30×50×110 мм в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700º С.

Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Установки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР.

Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем.

Менее известна технология Finmet, которая позволяет использовать железорудную мелочь без предварительного окускования в процессе газового восстановления в кипящем (псевдосжиженном) слое. По этой технологии пока действует только одно предприятие – Orinoco Iron в Венесуэле.

Для получения железа прямого восстановления также применяется целый ряд угольных технологий – SL/RN, Jindal, DRC, SIIL, Tisco, Codir и др. В основном все они действуют на базе печей с вращающимся подом с использованием угля или пылеугольной смеси.

Такие предприятия работают в Индии, а также в ЮАР, Китае, Перу и в некоторых других странах. Хотя экологичность таких производств и качество получаемого металла существенно ниже, чем у «газовых» предприятий, однако они дешевле, что и обеспечивает им значительную долю в структуре мирового производства DRI.

Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.

Рис. 39. Доля способов производства железа прямого восстановления в мире

Структура производства железа прямого восстановления в мире в последние годы приведена на рис. 39.

Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

В шахтных печах получают губчатое железо газообразными восстановителями в толстом слое железосодержащих окатышей. Схема производства различных видов железа прямого восстановления с использованием шахтной печи приведена на рис. 40.

Рис. 40. Технологическая схема производства железа прямого восстановления в шахтных печах

Процесс производства железа осуществляют в противотоке железорудных материалов, загружаемых в агрегат сверху, и нагретых восстановительных газов, подаваемых снизу. Работа агрегата в противотоке дает возможность достигать высокой производительности при хорошем использовании газа.

В качестве восстановителей применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном из водорода (H₂) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают в кислородном реакторе (реформере), путем неполного сжигания природного газа в кислороде. Полученный газ, содержащий 29% CO, 55% H₂ и 13% окислителей (H₂O и CO₂) освобождают частично от окислителей, затем нагревают, до температуры 1100…1150 °С и через фурмы подают в печь.

Добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера загружают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в среднюю часть печи по трубопроводу подают конвертированный природный газ. В восстановительной зоне печи создается температура 1000…1100 °C, при которой H₂ и CO восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей, снизу печи в зону охлаждения печи подают воздух. Охлаждённые окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах. Если производятся горячие окатыши или горячебрикетированное железо, то охлаждение восстановленного железа в нижней зоне печи не производится.

Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

Еще одним способом производства железа прямого восстановления является процесс в периодически действующих ретортах, используемых в качестве агрегатов восстановления. На установке таких реторт четыре (рис. 41). Емкость каждой реторты 100…150 т.

Рис. 41. Схема установки HYL: 1 – десульфуратор природного газа; 2 – установка конверсии; 3 – котел-утилизатор; 4 –
барабан для производства пара; 5 – воздушный охладитель; 6 – воздуходувка; 7 – скруббер; 8 – воздухонагреватель; 9 – загрузочный бункер; 10 – нагреватель газа; 11 – реторты (I – IV); 12 – скруббер; 13 – конвейер подачи руды; 14 – конвейер уборки губчатого железа; 15 – сборный бункер губчатого железа

Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обуславливает циклический характер процесса, состоящего из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают газ сверху. В качестве сырья используют чистые руды, содержащие не менее 60 % железа, крупностью 12…50 мм.

Восстановление ведется в неподвижном слое кусковой руды или окатышей при избыточном давлении 0,35…0,4 МПа и температуре 870…1040 °С. Нагрев руды и компенсация тепловых потерь процесса осуществляют за счет физического тепла восстановительного газа, который нагревают до 980…1240 ºС. При выдержке 4…6 часов средняя степень металлизации железа составляет 85 %. Выгрузку губчатого железа производят снизу с помощью специальных скребков. Губчатое железо поступает на конвейер транспортирующий губку в сталеплавильное отделение. На рис. 42 показана схема стационарной реторты со съемной крышкой и откидным днищем.

Рис. 42. Конструкция реторты: 1 – гидравлический цилиндр; 2 – тележка; 3 – привод; 4 – кожух; 5 – крышка; 6 – загрузочная
горловина; 7 – площадка для обслуживания; 8 – резец с рычагом
для удаления губчатого железа; 9 – губчатое железо; 10 – футеровка; 11 – механизм управления откидным днищем; 12 – откидное днище; 13 – разгрузочный желоб

В каждой из четырех реторт протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный нагрев и восстановление шихты газом, выходящим из других реторт. В двух ретортах происходит довосстановление железа подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание губчатого железа. Готовое железо поступает на конвейер, а в освобожденную реторту загружают исходную шихту.

К недостаткам метода относят:

периодичность процесса;
неравномерность металлизации по высоте;
низкая степень металлизации в сравнении с процессами, осуществляемыми в шахтных печах.

Производство железа на движущейся колосниковой решетке

Процесс получения железа на движущейся колосниковой решетке (рис. 43) несколько напоминает работу агломерационной машины. В этом случае конвертируемый газ проходит сверху вниз через слой шихты.

Рис. 43. Схема процесса получения железа на движущейся колосниковой решётке: 1 – обжиговая конвейерная машина, 2 – шихта, 3 – зона сушки, 4 – зона обжига и восстановления, 5 – электропечь, 6 – ковш для жидкого металла, 7 – ковш для шлака

Существует разновидность процесса получения железа на движущейся колосниковой решетке, когда вместо конвертированного газа используют твердый восстановитель (каменный уголь, кокс и т.д.).

В этом случае сырые окатыши в головной части установки сушат рециркулируемыми газами, после чего окатыши поступают в зону обжига, где в результате просасывания горячих газов происходит нагрев и восстановление оксидов железа. Основным преимуществом этого процесса является возможность подавать в установку для восстановления неупрочненные обжигом окатыши. Недостатком этого процесса является загрязнение губчатого железа пустой породой, серой и фосфором твердого топлива.

Производство железа во вращающихся трубчатых печах

Другой разновидностью процесса с использованием твердого восстановителя является способ получения железа во вращающихся трубчатых печах (рис. 44).

Рис. 44. Схема установки с применением трубчатых вращающихся печей: 1 – элеватор; 2 – исходная шихта; 3 – вращающаяся печь; 4– вибропитатель; 5 – пылеуловитель; 6 – уборка пыли; 7 – зона горения топлива и плавления материалов; 8 – горелка

По этому способу во вращающуюся трубчатую печь, установленную под небольшим углом к горизонту, загружается шихта, состоящая из руды, твердого топлива и доломита или известняка. Доломит и известняк используются для десульфурации. Печь отапливается газообразным или жидким топливом при помощи горелок, установленных на разгрузочном конце печи.

По мере продвижения шихты от загрузочного конца печи к разгрузочному, навстречу газообразным продуктам горения, происходит восстановление оксидов железа. Восстановление протекает в основном через газовую фазу при участии твердого углерода. На разгрузочном конце печи восстановленный материал для предупреждения окисления охлаждается в специальном вращающемся охладителе и после дробления и последующего магнитного обогащения используется в сталеплавильном производстве.

Производство железа в реакторах кипящего слоя

В основу этого способа положен эффект так называемого кипящего слоя, при котором создаются условия для хорошего контакта мелких железорудных материалов с газообразным восстановителем.

Сущность явления кипящего слоя заключается в следующем. Если через слой зернистого материала пропускать восходящий поток газа, то при небольших скоростях газа твердые частицы будут оставаться неподвижными. Слой будет выполнять роль фильтрующего пористого элемента.

Для создания кипящего слоя под горизонтальную решетку реактора, на которую загружают исходный железорудный материал, подается горячий восстановительный газ с определенной скоростью.

Чтобы предотвратить спекание восстановленного железа процесс ведется при низкой температуре (около 500 °С). Железо полученное при этой температуре, характеризуется повышенной пирофорностью (самовозгораемостью на воздухе). Для предотвращения пирофорности полученное железо нагревают до 820…880 °С с последующим охлаждением в восстановительной или нейтральной атмосфере.

Агрегаты FASTMET и ITmk3

В данных агрегатах осуществляется получение железа из руды и некосующегося угля. В агрегатах FASTMET также могут утилизироваться побочные продукты (пыли и шламы), содержащие железо, которые образуются на заводах с полным металлургическим циклом. Развитие этой технологии привело к созданию в 1996 г. процесса ITmk3 производства «передельного чугуна высшего качества» из окатышей или брикетов, схема процессов приведена на рис. 45.

Рис. 45. Схема процессов FASTMET, FAST MELT и ITmk3:1-бункера с компонентами шихты; 2 – окомкование; 3 –
сушка; 4 – брикетирование; 5 – печь с вращающимся подом; 6 – компрессор; 7 – регенератор; 8 – воздух для горелки; 9 – топливо для горелки; 10 – газоочистка; 11 – дымовая труба; 12 – электросталеплавильная печь; 13 – сепаратор

Технология получения железа следующая. Из мелкой железной руды после ее смешивания с углем получают гранулы, которые высушивают и загружают в печь с вращающимся подом. Процесс по существу выполняется на большом поворотном столе, который вращается в пределах тороидального огражденного пространства.

Гранулы из шихты загружаются на вращающийся под печи одним или двумя слоями и во время вращения нагреваются горелками, расположенными над слоем, где также происходит дожигание оксида углерода и летучих угля, выделяющихся при нагреве и восстановлении оксидов. Один оборот вращающейся печи осуществляется за 10 мин.

В случае процесса FASTMET продукцией является губчатое железо, FASTMELT – жидкая сталь, а в процессе ITmk3 данные комки плавятся в последней зоне этого пода, тем самым получая гранулы чугуна и шлак. Конечным этапом является разделение чугунных комков и шлака.

Химико-термический способ получения железа

Данный метод применяется для получения очень чистого железа из труднообогатимого рудного сырья, содержащего большое количество вредных примесей. Он может быть использован также для получения легированной железной губки из комплексных руд.

Схема технологического процесса получения железа по этому методу включает следующие операции (рис. 46).

Рис. 46. Схема технологического процесса прямого получения железа химико-термическим способом: 1 – печь восстановительного обжига; 2 – реакторы растворения; 3, 5 – промежуточные ёмкости; 4 – фильтры; 6 – выпарные аппараты; 7 – кристаллизаторы; 8 – центрифуга; 9 – вакуум-сушилка; 10 – печь сушки хлоридов; 11 – печь окисления хлоридов; 12 – гранулятор; 13 – печь восстановления хлоридов

Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение, а затем в печь обжига. Для ускорения процесса обжиг руды проводится с использованием твердого восстановителя. Для этого приёмные бункеры мельниц оборудуются дозаторами для приготовления шихты, состоящей из руды и твердого восстановителя.

Подготовленная шихта поставляется в печь для восстановительного обжига. Обжиг проводится при температуре 900…1000 °С. После обжига руда поступает в реакторы растворения руды, заполненные соляной кислотой. Начальная стадия растворения происходит очень бурно и сопровождается выделением водорода. По мере снижения концентрации кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса на конечном этапе реакционный объём подогревается паром с температурой 80…90 °С, подаваемом в паровые рубашки реакторов.

Выделяющийся при растворении водород после очистки направляется в печь восстановления хлоридов, где используется как газообразный восстановитель. Пары соляной кислоты, сконденсировавшиеся в процессе растворения, поступают в систему сбора кислоты, откуда направляются в реактор растворения.

Полученная в результате растворения пульпа подаётся в фильтры для отделения раствора от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает в выпарные аппараты, где проводится выпаривание до насыщения по хлористому железу. Далее раствор направляется в кристаллизаторы, из которых смесь кристаллов и раствора подается на центрифуги. Из центрифуг кристаллы направляются в печь сушки и затем в печь восстановления хлоридов, отапливающуюся природным газом.

Для восстановления хлоридов используется водород. Температура восстановления составляет 600…700 °С. В результате, после восстановления, образуется химически чистое железо.

Отходящий из печей газ, содержащий водород и пары воды, подвергается осушке, очистке и используется как восстановитель при восстановлении хлоридов. Кислота, образующаяся в результате охлаждения и очистки отходящих газов, поступает в систему сбора соляной кислоты, откуда направляется в реакторы растворения руды.

Таким образом, процесс построен максимально рационально, поскольку обеспечивается рециркуляция всех реагентов, участвующих в процессе.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.

Доменный процесс получения чугуна

Сущность доменного процесса получения чугуна заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в доменной печи.

Доменный процесс относится к типу противоточных. Навстречу поднимающемуся потоку горячих газов, образующихся при сгорании кокса у фурм, опускается столб шихтовых материалов.

Газовый поток, содержащий СO, СO2, Н2, N2 и др., образуется в результате горения углерода кокса. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам, охлаждаются до температуры 200 – 300 °С и выходят из печи через колошник. Отсюда название газа – колошниковый.

Полезный объем доменной печи постоянно заполнен шихтовыми материалами. Опускание шихты происходит под действием ее веса, а условием ее движения является освобождение пространства в нижней части доменной печи в результате сгорания кокса и плавления рудного материала и флюса.

После загрузки в печь шихта начинает нагреваться и по мере непрерывного опускания, последовательно развиваются следующие процессы:

испарение влаги шихты;
восстановление оксидов железа и некоторых других элементов;
диссоциация карбонатов.

Испарение влаги шихты

Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую, а иногда и гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется и удаляется на колошнике, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага удаляется при температурах выше 400 °С, и выделяющийся водяной пар, взаимодействует с оксидом углерода или углеродом, обогащая поток газа водородом.

Н2Опар + СО = СО2 + Н2,

Н2Опар + С = СО + Н2.

Восстановление оксидов железа и некоторых других элементов

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления сопровождаются выделением тепла и происходят в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe

До температур 700 – 900 °С восстановление осуществляется газовым восстановителем (СО) по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4 + CO = 2FeO + CO2,

FeO + CO = Fe + CO2.

По мере опускания шихты до горизонтов с температурой 900 – 1200 °С, выделяющийся в ходе восстановления углекислый газ (СО2) начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции:

Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции:

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться косвенным путем. По мере опускания шихты, выделяющийся в результате восстановления СО2 начинает взаимодействовать с углеродом твердого топлива и процесс непрямого или косвенного восстановления переходит в прямое восстановление.

Часть оксидов железа руды восстанавливается водородом, образующимся в доменной печи в результате реакции разложения паров воды:

Восстановление оксидов железа водородом происходит также, как оксидом углерода (СО), по стадиям от высших к низшим

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O;

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O;

FeO + H2 = Fe + H2O.

Водород, как реагент-восстановитель, характеризуется более высокой степенью использования. Вследствие меньшего размера молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Поэтому, несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу.

Кроме железа, в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты.

Марганец

Марганец содержится во всех железных рудах в больших или меньших количествах. В соответствии с принципом последовательных превращений, оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим:

MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO → Mn.

Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью до MnO непрямым путем, взаимодействуя с СО. Оксид MnO восстанавливается только прямым путем, и то, частично по реакции:

Взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn3C, который растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO переходит в шлак.

Кремний

Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO2. Восстановление его, как и марганца, осуществляется частично при высоких температурах твердым углеродом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Другая часть SiO2 переходит в шлак, а восстановленный кремний растворяется в железе.

Фосфор

Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соединений (FeO)3 ⋅ P2O5 и (СаО)3 ⋅ P2O5. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа Fe3P. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа полностью растворяются в железе. Условия доменной плавки не позволяют удалить из металла фосфор. Весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Поэтому, единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.

Сера, наряду с фосфором и мышьяком, относится к вредным примесям чугуна, ухудшающим качество металла. Поэтому, большое внимание уделяется проблеме снижения серы в чугуне, а затем и в стали. Сера может присутствовать в шихтовых материалах в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, СaSO4. Независимо от формы, в которой она присутствует в шихте, большая часть серы растворяется в чугуне в виде FeS. Задача удаления серы из чугуна заключается в том, чтобы максимальное количество серы перевести из металла в другие продукты доменной плавки – газ и шлак. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Количество серы, удаляющееся с газовой фазой невелико – от 5 до 10% от общего содержания серы в шихте. Большая часть серы переводится в шлак в результате химического взаимодействия серы чугуна с оксидом кальция, что требует повышенного содержания СаО в шлаке:

FeS + CaO = CaS + FeO.

В последнее время используют различные способы внедоменного удаления серы из чугуна (десульфурации чугуна). Сущность всех этих способов заключается в том, что полученный в результате доменной плавки сернистый чугун подвергают обработке после выпуска из печи химическими реагентами, поглощающими серу из чугуна и переводящими ее в шлак. В качестве таких реагентов используют:

порошкообразную обожженную известь (СаО);
карбид кальция (СаС2);
соду (Na2CO3).

Все эти соединения при взаимодействии с серой чугуна дают переходящие в шлак соединения СаS, Na2S.

Таким образом, шихта, опускаясь в печи, достигает зоны температур 1000 – 1100 °С. При этих температурах, восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом интенсивно растворяет углерод, образуя карбид железа:

Вследствие этого, температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, насыщаются дополнительно углеродом.

В результате растворения в железе углерода, марганца, кремния, фосфора и серы в доменной печи образуется чугун. А в результате сплавления оксидов пустой породы руды, флюсов и золы топлива образуется шлак. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности.

Топливо для доменных печей

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:тепловую, химическую, физическую.

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;
химическую, являясь основным химическим реагентом-восстановителем оксидов железа и других элементов;
физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым, кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа и расплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;
достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;
неспекаемость в условиях доменного процесса;
достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

Древесный уголь

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии.

Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 – 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 – 70 штук.

Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках.

Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 – 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 – 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие – продукты сгорания.

Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами.

В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 – 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива.

В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Флюсы

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450 – 1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать значительно выше температуры плавления. Однако, при определенном соотношении оксидов, входящих в состав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С.

Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы в шлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было равно от 2 до 4.

В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому, обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3 или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3.

В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получении окатышей).

Читайте также: