Реферат: Доменный процесс
Г л а в а 3<m:mathPr> <m:mathFont m:val=«Cambria Math»/> <m:brkBin m:val=«before»/> <m:brkBinSub m:val="--"/> <m:smallFrac m:val=«off»/> <m:dispDef/> <m:lMargin m:val=«0»/> <m:rMargin m:val=«0»/> <m:defJc m:val=«centerGroup»/> <m:wrapIndent m:val=«1440»/> <m:intLim m:val=«subSup»/> <m:naryLim m:val=«undOvr»/> </m:mathPr>СОДЕРЖАНИЕ
Введение - 3
1.Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике. — 4
2.Распределение температур, удаление влаги и разложение карбонатов. — 6
3.Процессы восстановления. — 7
4.Образование чугуна. — 13
5.Образование шлака и его свойства. — 14
6.Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи. — 16
7.Интенсификация доменного процесса. — 21
8. Продукты доменнойплавки. — 24
9.Управление процессом, контроль, автоматизация. — 26
Заключение — 29
Список литературы — 30
Введение
Главным процессом производства стали ичугуна в настоящее время является доменный процесс, а наиважнейшим компонентомэтого процесса является доменная печь.
Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты идутья.
Основным топливом доменной плавки являетсякокс – кусковой пористый материал из спекшийся углеродистой массы, получающейсяпри прокаливании каменного угля без доступа воздуха.
Доменный процесс стараются вести так, чтобыобеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса. В данномотчёте мы рассмотрим процессы, происходящие в доменной печи, и всё что с нимисвязано.
1.Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике.
Всовременной доменной печи продолжительность пребывания в ней материаловсоставляет 4-6 ч, а газов — около 3-12 с. Высокие показатели плавки могут бытьполучены при хорошем распределении газов по сечению печи. Только в этом случаегазы в максимальной степени отдадут физическое тепло материалам и наиболееполно будет использована их восстановительная способность. Естественно, чтораспределение газового потока по сечению печи зависит от сопротивления столбашихты, через которую проходят газы. Учитывая то, что газы всегда движутся позонам с меньшим сопротивлением шихты, его в процессе загрузки регулируют,перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печис учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Еслиэтого не делать, то основная часть газов будет двигаться по зонам с малымсопротивлением шихты и покидать печь с высокой температурой, Т.е. снедоиспользованной тепловой энергией и с не полностью использованнойвосстановительной способностью. В то же время в участках с большимсопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо нагретой ивосстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней частипечи, т.е. увеличения расхода кокса.
Призагрузке, прежде всего, учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен исопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чемгазы стремятся двигаться у стен. Поэтому целесообразно, чтобы у стен былитолще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре — толще слои кокса,что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности жепечи материалы должны располагаться равномерно.
Напечах с двух конусным засыпным аппаратом шихту загружают в печь отдельнымипорциями — подачами. Подача включает несколько скипов (чаще четыре и иногдатри, пять, шесть) и состоит из рудной части (в основном агломерата) и кокса,взятых в соотношении, вытекающем из расчета шихты. Подача может бытьсовместной, когда все входящие в нее скипы агломерата и кокса накапливают набольшом конусе путем опусканий малого конуса без его вращения и затемзагружают в печь за одно опускание большого конуса (пример ее обозначения: AAKt); раздельной, когда агломерат загружают однимопусканием большого конуса, а кокс — вторым (AAtKKt) и расщепленной, когдаподача загружается в два приема, но в каждой полуподаче есть и кокс иагломерат (AAK, KKAt). В приведенных обозначениях знак t означает опусканиебольшого конуса, А — скип агломерата, К — скип кокса. (Порядок набора подачи ираспределения подач по окружности колошника дан выше при описании засыпногоаппарата.)
Дляуправления распределением агломерата и кокса по сечению колошника применяют следующиеприемы: изменение порядка набора скипов агломерата и кокса на большом конусе,использование раздельных и расщепленных подач, изменение массы подачи,: ступенчатое изменение уровня за сыпана колошнике, неполное опускание большогоконуса при выгрузке подачи в печь, установку подвижных плит у стен колошника.
Прирегулировании распределения шихты с помощью этих приемов учитывают следующиеизвестные закономерности ведения сыпучих материалов:
— падающие с большого конуса материалы укладываются на колошнике с возвышением — гребнем; при расположении гребня у стены он имеет один скат, а на удалении отстены — два cката;
— в месте падения шихты (у гребня) скапливается больше мелочи, а крупные куски взначительной мере скатываются к подножию гребня, в связи с чемгазопроницаемость шихты в зоне гребня ниже. При этом основная часть мелочи — это агломерат;
— на расположение гребня влияет уровень засыпи на колошнике, при снижении уровнязасыпи от H1до H3гребеньприближается к стенкам колошника;
— расположение гребня зависит от величины зазора между большим конусом и стенкойколошника; при малом зазоре гребень располагается у стен, при большом отдаляетсяот стен
— угол естественного откоса при свободной укладке падающего сверху кокса меньше,чем у агломерата, поэтому при ссыпании с большого конуса у стен печи получаетсяболее толстый слой агломерата, а в центре — кокса
— в связи с таким различием углов откоса уменьшение массы подачи ведет к снижениютолщины слоя агломерата в центре печи и позволяет создать в центре зону безагломерата с повышеннойгазопроницаемостью;
— неполное опускание большого конуса способствует перемещению гребня материаловк стенкам колошника и попаданию большего количества мелочи на периферию;
— при ссыпании подачи с большого конуса ее нижняя часть ложится у стен, образуягребень, с которого в центр скатывается заключительная часть подачи, Т.е. вцентр печи в основном поступает материал из тех скипов подачи, которые набольшой конус загружали последними. Соответственно при подаче агломератомвперед ААКК. в центр поступает заметно больше кокса, а при обратной подачеKKAAt больше агломерата. Изменение порядка загрузки на обратный являетсясильно действующим средством перераспределения
материаловпо сечению колошника и применяется как крайняя мера; меньшее воздействие нараспределение материалов оказывают промежуточные порядки загрузки типа KAKAt,AKKAt и др.
Вцелом регулирование распределения шихты по сечению печи с помощью двух конусногоаппарата является сложной задачей и непрерывно совершенствуется. В последниегоды на некоторых печах у стен колошника устанавливают подвижные плиты,которые можно перемещать в горизонтальной плоскости и изменять угол их наклона.Падающие на плиты куски шихты отражаются и, изменяя положение плит, можно направлятьшихту в заданные зоны колошника.
Напечах с бесконусным загрузочным устройством шихту загружают в печь через двапоочередно открываемых шлюзовых бункера а в бункеры ее доставляют наклоннымленточным конвейером, на котором с определенными интервалами уложены порцииагломерата (или смеси агломерата и окатышей) и кокса… В один бункер с лентыпоступает одна порция агломерата или кокса; из бункера порцию выгружают наколошник печи по наклонному вращающемуся лотку, который за время выгрузкипорции (60-140 с) совершает более десяти оборотов вокруг вертикальной оси.
Дляхарактеристики этого способа загрузки чаще используют не термин«подача», а цикл загрузки. Цикл загрузки — это повторяющаясясовокупность располагаемых определенном порядке порций шихтовых материалов.Максимальная масса порций определяется объемом шлюзового бункера (50-80м3)засыпного устройства. Число порций в цикле может изменяться в пределах от 5-7до 14 и более.
Применениевращающегося лотка и изменение угла его наклона в процессе выгрузки изшлюзового бункера каждой порции материала позволяет в очень широких пределахперераспределять шихту по сечению колошника и регулировать толщину слоевагломерата и кокса, добиваясь рациональной ее укладки и эффективногоиспользования газового потока.
Чтобысудить о газопроницаемости шихты в доменной печи и о том, насколько хорошопротекают теплообменные и химические процессы между шихтой и газами,желательно иметь данные о температуре и составе газа по сечению. Повышенноесодержание СО2 в газах и низкая температура указывают на полнотухимических и теплообменных процессов в печи. Для интенсивной и экономичнойработы печи желательно, чтобы содержание СО2 на периферии и по осипечи было несколько пониженным, а на расстоянии около 1-<st1:metricconverter ProductID=«2 м» w:st=«on»>2 м</st1:metricconverter> от стен печи — повышенным.
Нановых печах для контроля температуры и отбора проб газов по сечению печиприменяют вводимые через отверстия в кожухе и футеровке зонды, периодическиперемещаемые от периферии к центру печи над уровнем шихты и в объеме шихты нарасстоянии от 1,5 до 7-<st1:metricconverter ProductID=«12 м» w:st=«on»>12 м</st1:metricconverter>ниже ее уровня. На всех печах контролируют уровень засыпи (верха материалов) наколошнике; общепринят контроль с помощью двух зондов вертикально перемещаемыхштанг, пропущенных через отверстие в куполе печи. В рабочем положении нижнийконец зонда находится на поверхности шихты, постепенно опускаясь вместе с ней,зонд связан с контрольно-измерительными приборами, отражающими изменение уровняшихты; при ссыпании шихты с большого конуса зонды поднимают. Начинают применятьновые бесконтактные методы измерения уровня, используя показания направленныхна поверхность за сыпи инфракрасных, микроволновых и других датчиков.
2. Распределениетемператур, удаление влаги и разложение карбонатов.
Распределениетемператур в печи.
Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем;основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна ишлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации тепло потерьявляется: тепло, выделяющееся в верхней части горна при сгорании топлива(кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефтепродуктови угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горнавверх, отдавая тепло опускающимся вниз холодным шихтовым материалам, нагреваяих, асами охлаждаются. Поэтому по мере отдаления от горна кверху температура впечи понижается с 1400-1600 до200-350 0С на выходе из колошника.
Вместес тем, на одном и том же горизонте печи при поперечном сечении температура неявляется постоянной, меняется в довольно широких пределах. Это объясняетсятем, что поднимающиеся горячие газы движутся по сечению печи неравномерно;максимальное количество газов проходит в участках поперечного сечения сменьшим сопротивлением шихты и здесь наблюдаются наибольшие температуры.
Удалениевлаги
Шихта, загружаемая в доменную печь, содержитгигроскопическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу.Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления нетребуется дополнительного тепла, так как температура колошниковых газов вышетемпературы испарения влаги.
Гидратнаявлага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится всоединении с Fе2Оз (в буром железняке) или с Аl2Оз(в каолинитах АI2Оз, 2Si02.. 2Н2О).Эти соединения разлагаются при 400-1000 0С с поглощением тепла.Однако в связи с тем что в настоящее время сырые руды почти не используются,выделение гидратной влаги заметного влияния на ход плавки не оказывает.
2.2 Разложениекарбонатов
Карбонаты(углекислые соединения) могут поступать в доменную печь В виде известняка СаСО3(иногда он содержит немного СаСО3 МgСО3), с карбонатнойжелезной рудой(FеСО3) и марганцевой рудой (МnСО3).При нагреве карбонаты разлагаются на СО2 и оксид металла споглощением при этом тепла.
В настоящее время сырье рудыв доменные печи почти не загружают; известняк, необходимый для внесения вдоменный шлак СаО, вводят в шихту агломерации и лишь в отдельных случаях дляповышения основности шлака немного известняка добавляют в печь. Здесь известнякинтенсивно разлагается при температурах и выше по реакции:
СаСОз = СаО + СО2 — 178500 Дж.
Помимо затрат тепла наразложение, отрицательным фактором является то, что при температурах более1000 0С идет реакция СО2 + С = 2СО с поглощением тепла ирасходованием углерода кокса.
Применение офлюсованного агломерата(т.е. полученного с добавкой известняка в шихту агломерации) и полное выведениеизвестняка из доменной шихты позволяет экономить кокс. При агломерации процессразложения известняка обеспечивается сжиганием низкосортного топлива (коксика,антрацитового штыба), а не дорогостоящего дефицитного металлургического кокса.
3. Процессы восстановления
3.1. Восстановление железа
Железопоступает в доменную печь в виде оксидов: агломерат вносит Fе2О. инемного Fе2О3 и FeO, окатыши – Fе2О3иFе2О. и железная руда, если ее применяют, — Fе2О3иFе2О, причем часть этих оксидов находится в виде химическихсоединений с другими оксидами.
Основнаязадача доменного процесса — обеспечение как можно более полного извлеченияжелеза из этих оксидов путем их восстановления. Восстановление заключается вотнятии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида сменьшим содержанием кислорода). Его осуществляют с помощью восстановителя — вещества, к которому переходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большеехимическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Такимобразом в процессе восстановления одно вещество теряет кислород (восстанавливается),а другое приобретает его (окисляется). В общем виде процесс восстановленияописывается уравнением:
МО+В=М+ВО, (1)
гдеМ — восстанавливаемый металл; В — восстановитель;
МО — восстанавливаемый оксид; ВО — оксид восстановителя.
Всоответствии с выявленными акад. А.А.Байковым закономерностями восстановлениеоксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим:
Fе2О3– Fе2О — FeO — Fe.
Посколькупри температурах ниже 570 0С оксид FeO неустойчив и разлагается (наFе2О и Fe), схема восстановления при температурах ниже 570 0Сследующая:
Fе2О3– Fе2О — Fe.
Восстановителямиоксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород.Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами — косвенным. Реакции косвенного восстановления оксидом углерода следующие:
притемпературе > 570 0С:
1)3Fе2О3 + СО = 2Fе2О. + CO2 + 53740;
2) Fе2О + СО = 3FeO + CO2+ 36680;
3) FeO + СО = Fe + CO2 + 16060;
притемпературе < 570 0С
1) 3Fе2О3 + СО = 2Fе2О.+ CO2 + 53740;
2)1/4Fе2О. + СО = 3/4Fe + CO2 + 2870.
Иххарактерной особенностью является то, что продуктом реакций всегда являетсяCOz, и то, что они идут без затрат тепла. Реакции прямого восстановленияуглеродом протекают с образованием Са и требуют значительных затрат тепла, например:
FeO + С = Fe + СО — 152670.
Необходимоотметить, что приведенная запись реакции прямого восстановления не отражаетмеханизма ее протекания. Дело в том, что непосредственное взаимодействиеуглерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность контакта междунеровными кусками очень мала. Поэтому фактически прямое восстановлениепротекает через газовую фазу и состоит из двух стадий:
FeO + СО = Fe + CO2, CO2 + С = 2СО,
чтопосле суммирования дает итоговую реакцию прямого восстановления
FeO + С = Fe + СО.
Таким образом главное, чтоотличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а этоозначает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количествоуглерода, достигающего фурм.
Косвенное восстановлениеводородом, содержание которого в атмосфере доменной печи может достигать 8-12%, протекает по следующим реакциям:
3Fе2О3 + Н2.= 2Fе3О4 + Н2О — 4200;
Fе3О4 + Н2 = 3FеО + H2O — 62410; FеО+ Н2 = Fе + H20- 27800.
Сравнение равновесных характеристикэтих реакций и реакций восстановления оксидом углерода показывает, что притемпературах выше 810 <st1:metricconverter ProductID=«0C» w:st=«on»>0C</st1:metricconverter>водород является более сильным восстановителем, чем CO,а при меньших, чем 810 ОС, температурах — более слабым, Т.е. приэтих температурах у водорода меньше химическое сродство к кислороду, чем у CO. Вместе с тем опыт показал, что в доменной печикак при высоких (> 810 ОС), так и при более низких температурахводород является более энергичным восстановителем, чем CO. Добавка водорода и повышение его концентрациив газовой фазе ведет к ускорению процесса восстановления и увеличению степеникосвенного восстановления железа. Это объясняется двумя причинами. Во-первых,благодаря малым массе и размерам молекул водорода они более подвижны, чем СО,быстрее диффундируют в поры агломерата и проникают в более мелкие поры итрещины, куда молекулы со проникнуть не могут, — все это заметно увеличиваетповерхность взаимодействия. Во-вторых, известно, что молекулы Н2многократно участвуют в процессе восстановления. Эта особенность водорода каквосстановителя связана с тем, что при температурах доменного процесса и наличииизбытка углерода и СО водяные пары существовать в печи не могут. В зоне высокихтемператур (850-1000 0С и более) пары Н20 разлагаютсяуглеродом: Н2О + С = Н2 + СО; при температурах ниже 8100Сидет реакция: Н2О + СО =Н2+ С02.Соответственно Н2О, образующаяся при реакциях восстановленияводородом, тут же взаимодействует с углеродом кокса, либо с СО по приведеннымвыше реакциям и вновь переходит в водород. Этот образовавшийся водород вновьреагирует с оксидами железа и так несколько раз по мере подъема от горна доколошника. Иначе говоря, происходит регенерация водорода с его повторнымучастием в восстановлении. Сам же водород Н процессе восстановления являетсякак бы промежуточным реагентом или переносчиком кислорода от оксидов железа кСО или углероду и в конечном счете к газовой фазе печи. При этом количествоводорода в газовой фазе может не изменяться.
Вцелом ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризоватьследующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участковс температурой 900- 1000 ОС, протекают процессы косвенного восстановлениягазом СО и отчасти водородом. В этой зоне косвенного восстановления все высшиеоксиды железа успевают восстановиться до FеО,а часть FеО восстанавливается до железа, причем частицы восстановленногожелеза обнаруживаются уже в колошнике. Вместе с тем, часть FеО восстанавливается до железа прямым путем взоне высоких температур (> 900-<st1:metricconverter ProductID=«10000C» w:st=«on»>10000C</st1:metricconverter>).При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250 ОС, когдасформировался шлак, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака пристекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстановленииполучается в твердом виде; частицы железа, восстановившиеся из материалов,находящихся в твердом виде, имеют форму губки.
Вдоменной печи железо восстанавливается почти полностью. Степень восстановленияжелеза составляет 0,99-0,998, а этоозначает, что 99-99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2-1,0 % переходит вшлак.
3.2. Особенности косвенного восстановления.
Доменный процесс стараются веститак, чтобы обеспечивался минимальный расход дефицитного и дорогостоящегококса. Наряду с рядом других факторов большое влияние на расход кокса оказываетстепень развития прямого и косвенного восстановления. Сравнивая эти способывосстановления, отмечают следующее. Отрицательной стороной прямого восстановленияявляется то, что оно протекает с затратой тепла; кроме того увеличение степенипрямого восстановления приводит к снижению количества кокса, достигающего фурми, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Реакции косвенноговосстановления не требуют затрат тепла. Однако косвенное восстановление требуетзначительно большего расхода углерода, чем прямое. Причина в том, что для протеканияреакций косвенного восстановления необходимо определенное соотношение между СОи СО2 В газовой фазе. Например, при 700 ос восстановление железа из FеО может начаться, если газ содержит около 60 %СО и 40 % СО2, Т.е. при C02 = 1,5. Следовательно, на одинатом железа необходимо 2,5атома углерода (1,5 в виде СО и 1 в виде СО2),полученных в результате сжигания кокса, в то время как по реакции прямоговосстановления FеО+С= Fе+СО на один атом железа расходуется один атомуглерода, вносимого коксом.
Должносуществовать оптимальное с точки зрения расхода углерода соотношение междупрямым и косвенным восстановлением. Для оценки доли прямого или косвенноговосстановления используют ряд показателей. Предложенный акад. М.А.Павловымпоказатель — степень прямого восстановления обозначается величиной dи показывает часть железа впроцентах или долях единицы, восстановленного из FеОпрямым путем. При этом, если прямым путем восстанавливается до Ре, токосвенным восстанавливается (100 — d) %.
В настоящее время степеньпрямого восстановления на печах, работающих без применения природного газа илимазута, составляет 40-60 %, а на печах, в которых применяют углеводородные добавки,20-40 %. Наивыгоднейшая степень прямого восстановления, при которой достигаетсяминимальный расход кокса, меньше приведенных величин. Фактические значения dобычно выше оптимальных, ипоэтому необходимо принимать все меры для улучшения условий восстановления шихтыгазами, Т.е. для повышения степени косвенного восстановления (вдуваниевосстановительных газов, улучшение распределения газов в печи, подготовкашихты), что обеспечит снижение расхода кокса.
Степень прямоговосстановления железа получается ниже у печей, работающих с пониженнойтемпературой дутья и на более бедной шихте. Однако эти факторы приводят кповышению расхода кокса.
3.3. Восстановлениемарганца и выплавка марганцовистыx чугунов
Привыплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составеагломерата и иногда в составе добавляемых небольших количеств марганцевых руд,а при выплавке ферромарганца в составе марганцевого, агломерата или марганцевыхруд.
Марганецв рудах находится главным образом в виде МnО2,Мn20з и МnЭО4, а в агломератев виде силикатов марганца МnО Si02.
Восстановлениемарганца из оксидов протекает ступенчато от высших оксидов к низшим:
МnО2 — Мn2Оз — МnЗО4 — МnО — Мn.
Таким образом, для болееполного восстановления марганца необходимы высокие температуры в горне,увеличение поступления тепла в горн и повышенная основность шлака.
Восстановительные условиядоменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенныйшихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления марганцасоставляет 55-65 %, остальная часть марганца остается в шлаке в виде МnО. Из сказанного следует, что содержаниемарганца в чугуне будет в первую очередь определяться его содержанием вшихтовых материалах.
Еще в недавнее времявыплавляли передельные чугуны с содержанием марганца 0,7-1,2 %, а десятилетияназад – с содержанием марганца до 11,75-3,5 %. Для получения столь высокогосодержания марганца в чугуне требовалось вводить в доменную печь или в шихту агломерациимарганцевую руду. В настоящее время в связи с дефицитностью марганца и марганцевыхруд, а также в связи с тем, что при выплавке стали большая часть содержащегосяв передельном чугуне марганца окисляется и безвозвратно теряется в виде МnО со сливаемым из сталеплавильных печей шлаком,стали: выплавлять мало марганцовистые чугуны. При этом в доменную шихту марганцевуюруду, как правило, не добавляют, и чугун содержит столько марганца (от 0,1 до0,3-0,5 %), сколько его восстановится из оксидов марганца, содержавшихся в железныхрудах в качестве примесей. Переход на выплавку мало марганцовистых чугуновпозволил экономить не только марганец, но и кокс за счет уменьшения его расходана прямое восстановление марганца и на проплавление пустой породы марганцевыхруд.
3.4. Восстановлениекремния и выплавка кремнистых чугунов.
Кремний присутствует врудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате — в виде силикатовжелеза и кальция и силикатов промежуточного состава – оливинов СаО2FeOSi02. Сродство кремнияк кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямымпутем по следующей реакции:
Si02 + 2С = Si + 2СО — 636760 Дж.
Точнее, эта реакциявосстановления идет в две стадии с образованием промежуточного соединения — монооксида кремния SiO (последний является привысоких температурах):
Si02 + С — SiO + СО -SiO + С — Si + СО
Si02 + 2С = Si + 2СО.
Термодинамический анализ показывает, что для протекания этой реакции внаправлении слева направо нужна высокая температура — около 1500 <st1:metricconverter ProductID=«0C» w:st=«on»>0C</st1:metricconverter>. Вместе с тем установлено, что вдоменной печи кремний восстанавливается при более низкой температуре. Этосвязано с присутствием железа: с твердым железом кремний образует силицид FeSi, а в жидком он растворяется; эти процессы протекают свыделением тепла и выводят кремний из зоны реакции, способствуя сдвигуравновесия реакции восстановления вправо. Так, лабораторные опыты показали, чтореакция восстановления твердого Si02с участием железа Si02+ 2С + Ре= FeSi + 2СО получает заметное развитие при 1200-1300 0С,а эта же реакция восстановления Si02из шлака — при 1400-1550 0С.
В доменной печи при температурах 1200-1250 0С уже сформированжидкий шлак, и поэтому основная часть кремния восстанавливается прямым путемиз Si02, находящегося в шлаке при стеканиикапель шлака в горн между кусками кокса.
Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, являются высокаятемпература в районе горна, а также кислые шлаки, т.е. содержащие мало СаО,так как СаО связывает Si02в силикаты, затрудняя восстановление Si02.Поскольку В доменной печи основность шлака, определяемая основностьюиспользуемого флюсованного агломерата, является относительно постоянной,количество восстановленного кремния зависит прежде всего от температуры в горнеи прилегающем к нему объеме печи.
При выплавке передельного чугуна восстанавливается 2-8 % кремния шихты(остальной остается в шлаке в виде Si02),и чугун содержит от 0,5 до 1,0 и иногда до 1,2 % кремния. Изменение содержаниякремния в этих пределах в выпускаемом чугуне служит показателем тепловогосостояния горна; уменьшение содержания кремния в чугуне свидетельствует оснижении температур в горне; повышение температуры в горне и, соответственно,температуры чугуна вызывают увеличение содержания кремния в чугуне.
3.5. Выплавка литейного чугуна и ферросилиция.
Иногда в доменных печах выплавляютлитейный чугун, содержащий 1,2-3,75 % кремния. Перевод печи с выплавкипередельного чугуна на выплавку литейного заключается в увеличении расходакокса на 10-20 % по сравнению с обычным. После
того как эти увеличенные порциикокса при движении сверху достигают фурм, температура в горне повышается,вызывая увеличение степени восстановления кремния из шихты, которая достигает10-25 % (вместо 2-8 % при выплавке передельного чугуна). При этом выпускаемыйчугун будет содержать повышенное количество кремния.
Ранее в доменных печах выплавлялибедный ферросилиций, содержавший 9-15 % кремния; при этом расходовали 1-1,3 ткокса на 1 т сплава и <st1:metricconverter ProductID=«450 кг» w:st=«on»>450 кг</st1:metricconverter> металлодобавок. В настоящеевремя в связи с не экономичностью и, в первую очередь, в связи с большимрасходом кокса, эту выплавку прекратили. Более экономична выплавкаферросилиция, содержащего 45-75 % кремния, в ферросплавных электропечах.
3.6.Восстановление фосфора
Фосфорпоступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в видефосфата 3СаО P2O3 и иногда 3РеО + P2O3+ 8H2O. Фосфат 3СаО P2O3 интенсивно восстанавливаетсяпри температурах 1000-1200 ос и более с большой затратой тепла:
3СаО+ P2O3 + 5С = 2Р + 3СаО + 5СО — 1634000 Дж,
причемчасть его восстанавливается из шлака.
Фосфат железа менее прочен ивосстанавливается 900-1000 <st1:metricconverter ProductID=«0C» w:st=«on»>0C</st1:metricconverter>газом СО и частично углеродом, например:
2(3РеО + P2O3) + 16СО = 3Fe2P + Р + 16CO2.
Образующиеся при этихреакциях фосфор и фосфид Fe2P активно растворяются в железе, ипрактически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственнымспособом получения чугуна с низким содержанием фосфора является использованиечистых по фосфору рудных материалов.
Передельные чугуны содержат менее0,15 — 0,30 % фосфора; иногда используют высокофосфористые железные руды,получая чугуны с содержанием фосфора 1,0- 2,0 %.
3.6. Восстановлениедругих элементов.
Представлениео возможности восстановления элементов, входящих в состав доменной шихты, можетбыть получено на основании термодинамических данных, характеризующих прочностьих оксидов, т.е. величину их химического сродства к кислороду. Элементыдоменной шихты по возрастанию сродства к кислороду располагаются в следующемпорядке: Сu, As, Ni, Ре, Р, Zn, Мn,Y, Cr, Si, Ti, Al,Mg, Са. Соответственно, степень восстановления элементов тем меньше, чем правеестоит элемент в приведенном ряду.
Такиеэлементы как никель, медь, мышьяк, подобно железу и фосфору, почти целикомвосстанавливаются в печи и переходят в чугун.
Ванадийи хром восстанавливаются аналогично марганцу соответственно на 70-80 и на80-90 %, а титан — аналогично кремнию. Степень восстановления титана ниже, чемкремния. Алюминий, магний и кальций в доменной печи не восстанавливаются.
Особоследует отметить поведение цинка. Он содержится в некоторых железных рудах, атакже попадает в доменные печи в составе добавляемых в шихту железосодержащихотходов — конвертерных шламов, колошников и пыли и др. поступая в печь восновном в виде ZnO, он легко восстанавливается при температурах > 950 0С:ZnO + С = Zn + СО и, испаряясь, поднимается с газами вверх. В зонах с умереннымитемпературами Zn вновь окисляется до ZnO, реагируя с CO2 и оксидамижелеза. Часть ZnO (10-30%) уносится из печи доменным газом; часть в смеси ссажистым углеродом осаждается на стенках печи, образуя большие настыли; частьосаждается в швах и порах футеровки, вызывая увеличение ее объема ивозможность разрыва кожуха печи; часть осаждается на кусках шихты, и опускаетсявниз, где вновь восстанавливается, создавая циркуляцию цинка в печи, способствуяего накоплению с увеличением вредных отложений.
4.Образование чугуна
Восстанавливаемоево всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура егорасплавления (1535 0С) выше температур, имеющихся в доменной печи;при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в видетвердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяетуглерод (науглероживается). Этот процесс получает заметное развитие уже притемпературах 400-600 0С и заключается в том, что на поверхностигубчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО (2СО = С +СО2)и выделяющийся сажистый углерод переходит в железо, образуя раствор Ре + С =[С].
Помере науглероживания температура плавления железа понижается (так температураплавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130 ОС), а само оноопускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когдатемпература плавления науглероженного железа становится равной температуре впечи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2-2,5 % и температуреоколо1200 ОС) и образуются капли жидкого металла, которые стекают вгорн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще болееинтенсивно — при контакте капель с раскаленным коксом и при контакте расплавас коксом в горне, происходит растворение углерода кокса в металле.
Вдвижущиеся капли металла и отчасти в еще твердое железо в небольшихколичествах переходят на разных горизонтах печи другие восстановленныеэлементы (кремний, марганец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк,хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа