Теория и технология производства чугуна.

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА Целью доменного производства является получение высококачественного чугуна (заданного состава с низким содержанием примесей) с наименьшими топливно-энергетическими затратами и максимальной (заданной) производительностью. По принципу работы доменная печь относится к плавильным печам шахтного типа, печам, рабочее пространство которых вытянуто по вертикали, а горизонтальное сечение – окружность. Течение процессов в шахтных печах основано на противотоке материалов и горячих газов. Устройство доменной печи Колошник - верхняя цилиндрическая часть печи. Колошник доменной печи оборудован колошниковым устройством. Колошниковое устройство представляет собой комплекс металлоконструкций, различного назначения и включает в себя устройства для подачи и загрузки материалов в печь, газоотводы для равномерного отвода газов из печи (не менее 4). Шахта - основная часть печи, представляющая собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов. Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами. Устройство доменной печи Распар - это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов. Заплечики - это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака. Устройство доменной печи Горн - то нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью. В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала. При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине. Кольцевой воздухопровод В верхней части горна имеется большое число (30…40) равномерно распределенных по окружности фурменных отверстий, через которые из кольцевого воздухопровода в печь через специальные приборы – фурмы подают дутье. Размеры средней доменной печи объемом 2002 м3. Элементы профиля Диаметр, м Высота, м Колошник 7,3 3,0 Шахта - 18,1 Распар 10,9 3,0 Заплечики - 1,7 Горн 9,8 3,7 Доменная печь установлена на фундаменте (железобетонный армированный массив, рассчитанный на огромные нагрузки, жароупорный бетон) высотой до 10 м. Учитывая размеры колошникового устройства - до 15…18 м, можно представить, что доменная печь является очень серьезным сооружением высотой порядка 60 м. Подача шихтовых материалов Загрузка и распределение шихты на колошнике Засыпной аппарат доменной мечи: 1 – скип; 2 – приемная воронка; 3 – вращающая воронка малого корпуса; 4 – малый конус; 5 – вращающейся распределить; 6 – большой конус; 7 – воронка большого конуса; 8 – наклонный мост. На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства. В обычном положении оба конуса закрыты и надежно изолируют внутреннее пространство печи от атмосферы. После загрузки шихты в приемную воронку малый конус опускается и шихта падает на большой конус. Малый конус закрывается. После того, как на большом конусе будет набрано заданное количество шихты, большой конус опускается при закрытом малом конусе и шихта высыпается в печь. После этого большой конус закрывается. Таким образом, рабочее пространство доменной печи постоянно герметизировано. Шихтовые материалы обычно подаются на колошник печи с одной стороны. В результате, в воронке малого конуса образуется откос. Длительная Работа доменной печи с перекосом уровня шихты недопустима. Для устранения этого явления приемная воронка и малый конус сделаны вращающимися. После загрузки шихты воронка вместе с конусом поворачивается на угол кратный 60, благодаря чему после разгрузки нескольких подач неравномерность полностью устраняется. Засыпное устройство роторного типа • На современных печах могут устанавливаться более сложные по конструкции засыпные аппараты. Вместо большого конуса устанавливается вращающийся желоб, угол наклона которого может регулироваться. Такая конструкция позволяет изменять место подачи материалов по диаметру колошника. Загрузка и распределение шихты на колошнике • Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. • Загрузку подач производят через каждые 5–8 мин по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов. Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Руда+кокс.мелочь Стена 12 Кокс Центр • В доменном процессе через слой сыпучих материалов проходит поток газа. Газ перемещается по межкусковым пустотам слоя, разделившись на большое количество мелких и мельчайших струй. Источником движения газа служит избыточное давление, создаваемое воздуходувной машиной. Распределение шихты Свойства шихты: 1. Угол естественного откоса 2. Сегрегация мелочи: мелочь остается в месте падения 3. Выдавливание кокса Кокс 35-38 град 13 Агломерат 29-33 град Окатыши 25-26 град На поверхности естественного откоса частицы сыпучего находятся в состоянии предельного равновесия, любое его нарушение вызывает смещение частиц в сторону основания и уменьшение угла наклона. Прибор для измерения угла естественного откоса у сыпучих крупностью < 16 мм четырехугольный ящик с застекленными стенками. Ящик ставят на короткую грань и засыпают сыпучим на 'А объема. Потом его медленно опрокидывают на длинную грань и измеряют наклон образовавшегося откоса. Определение углов откоса материалов в работающих печах показало, что они меньше углов естественного откоса, при чем в зависимости от определенных условий отличие будет различным. По Н. Л. Гольдштейну, угол откоса для случая скатывания с конуса в печь отдельного куска материала описывается уравнением h tgα =tgα − K R где α – угол откоса материала в печи, град; α0 – угол естественного откоса ма­териала при свободном скатывании и очень малой высоте падения, град; h — высота падения материала, м; R – радиус колошника, м; K – коэффициент, величина которого зависит от условий падения кусков материалов, их свойств и вида. Коэффициент K больше у крупных кусков, поэтому уменьшение углов откоса крупных кусков материалов при прочих равных условиях больше, чем мелких. Процессы, протекающие в доменной печи • • • • • • При изучении доменного процесса условно выделяют однородные частные процессы: механические и газодинамические процессы, описывающие загрузку шихтовых материалов на колошник; движение материалов и газов; химические процессы – разложение и восстановление; физико-химические процессы – плавление чугуна и шлака и их взаимодействие; гидродинамические процессы – превращение и движение расплавов в области горна и заплечиков; процессы горения кокса в горне и т. д. Движение материалов и газов в доменной печи Движение шихты и газов в доменной печи Работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. 1 3 2 18 4 1) 2) 3) 4) Сход (опускание) шихты Генерация газа Общий газовый поток Частные газовые потоки Опускание шихты в доменной печи обусловлено постоянным образованием в нижней части печи свободного пространства за счет следующих процессов: Почему шихта опускается Рудная часть шихты потребляет кокс в реакциях прямого восстановления, освобождая пространство Кокс газифицируется перед фурмами, освобождая пространство Газ поднимается Шихта плавится, уменьшая занимаемый объем ЗОНА КОГЕЗИИ Шихта опускается 44–52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11–16 % – на прямое восстановление, 25–35 19 % – на плавление чугуна и шлака и 5–15 % – на уплотнение мате- Система вертикальных сил в доменной печи . F=F(вш) –[F(пг)+F(тр)+Fж] Вес шихты над зоной когезии Трение о стенки Разница давлений газа между зоной когезии и газом Коксовая насадка Направленная вверх сила жидкости Результат без участия сил трения Наиболее важной противодействующей опусканию шихты силой является подъемная сила газового потока в печи . Влияние на эту силу оказывает зона когезии, которая создает максимальное сопротивление проходу газа и формирует наибольшую часть общего перепада давления газа по высоте печи. 20 Подъемная сила жидкости в горне Величина этой силы зависит от уровня продуктов плавки в горне и глубины металлоприемника (от величины зумпфа) Результирующая сила Плотность кокса Плотность чугуна Движение железорудной шихты • Ж/р шихта за 5-7 часов опускается от уровня засыпи до фурм 22 • Лекция 2 Газовый поток в доменной печи Время пребывания газа в доменной печи 6-8 сек. За это время: -газ охлаждается от 2000-2200 С до 100-150 С ; -- одновременно отнимает кислород от оксидов железа шихты, проходя путь от фурм до колошника длиной (по вертикали) около 22 м. -- участвует в химических реакциях. Скорость газа в печи в вертикальном направлении составляет 2.5-4,0 м/сек, что сопоставимо со скоростью ветра 2-3 балла по Бофорту. Слои железорудных материалов создают более высокое сопротивление проходу газов, чем слои кокса Движение газов в доменной печи В доменной печи существуют две области с повышенной газопроницаемостью центральная зона печи, если она загружена преимущественно коксом, и пристенная периферийная зона. Газопроницаемость материалов доменной плавки: 1 - мелкая руда: 2 – мелкий агломерат; 3 – ока­тыши; 4 – агломерат, не содержащий мелких фракций; 5 – кокс. Печи с двухконусным ЗУ имеют тенденцию концентрировать мелочь у стенок. Кроме того сильнее развита деформация слоя кокса рудными материалами и сегрегация частиц по крупности из-за большего наклона поверхности засыпи к горизонту. При загрузке мелочи около стен (1), мелкая фракция опускается прямо вниз (2). Появляются сложности с плавлением или восстановлением (зона непроницаема для газов). Твердый материал видим можно видеть через гляделки (3). Это приведет к увеличению давления дутья и печь может «подвиснуть». 26 1 2 3 Идеальное распределение шихты Рудный слой: меньше лучше Коксовый слой: больше лучше - Центр без руды - Минимальная сегрегация - Оптимизированные толщины кокса и руды. 27 Что происходит при толстых рудных слоях? • Руда движется по направлению к центру; • Она переполняет кокс (в центре) • Когда эта руда начинает плавиться, в слое может быть плохая проницаемость • Тем самым хуже косвенное восстановление  больше прямое восстановление  больше расход кокса! 28 Сход шихты контролируется с помощью зондов для измерения уровня засыпи, которые лежат на поверхности шихты и опускаются вместе с ней в отрезки времени между загрузками шихтовых материалов в печь. Нулевой уровень Уровень засыпи 1. 2. 3. 4. Опускание зонда Зонд на шихте Опускание с шихтой Поднятие зонда для загрузки шихты Ровный сход шихты Неравномерный сход шихты Нулевой уровень подвисание Медленное опускание Провал шихты 30 Расстройство: Печь подвисает! • Нет схода шихты 31 Причина • Материал в зоне когезии (расплавления) формирует структуру мостиков, которая в дальнейшем создают пустоты 32 Щели шихты • Пустоты в дальнейшем разрушаются, и это способствует тяжелым нарушения структуры слоев шихты. • Это затрудняет газовый поток, газовый поток идет по периферии. 33 Два типа зоны когезии (расплавления) Центральный ход Обратная V-образная зона когезии: • Коксовая отдушина • Много коксовых окон 34 Периферийный ход W-образная зона когезии: • Большая доля рудной части попадает в центр • Ограниченный центральный поток газа • Меньше коксовых окон Центральный ход Объем кокса, % Распределение рудной нагрузки стена 35 центр Периферийный ход Распределение рудной нагрузки 36 Внутренний газовый поток • Газ расходится через слои кокса • В зоне плавления: газ проходит через слои кокса • В коксовых слоях создается равномерное давление по диаметру • Со “свободным от руды центром” скорость газа может быть выше  кокс может ожижаться • Газовый поток в стабильной доменной печи  – Низкая температура на стенках – Высокая температура в центре 37 Железорудная шихта Гематит 6 Fe, 9 O Магнетит 6 Fe, 8 O Вюстит 6 Fe, 6 O 50% Fe, 50% вюстита 6 Fe, 3 O Железо 6 Fe, нет O 38 Реакции Монооксид углерода + + Диоксид углерода Косвенное восстановление + Косвенное восстановление + Косвенное восстановление Углерод Монооксид углерода 39 + Прямое восстановление Восстановление и температуры 1100 C 500-600 C 600-900 C 900-1100 C >1100 C 40 По мере опускания шихты ниже уровня засыпи при температуре около 500°С начинается восстановление гематита до магнетита. Восстановление магнетита до вюстита происходит в температурном интервале от 600 до 900°С, в то время, как восстановление вюстита до железа происходит в температурном интервале от 900 до 1100°С. К началу плавления железорудных материалов (1100—1150°С) обычно около половины вюстита восстанавливается до железа газом. Разложение плавильных материалов в доменной печи Испарение влаги и разложение гидратов • В шихтовых материалах, загружаемых в доменную печь, влага может содержаться в значительных количествах. Так, в железных рудах содержание влаги составляет 1 – 6 (в бурых железняках до 20 %). в марганцевых – 20 – 25, в известняке – 1,5 – 2,5, в коксе – 1,5 – 5%. В некоторых случаях неболь­шое количество влаги содержится в агломерате, когда он поступает в доменные печи в холодной виде. • Основная часть влаги – гигроскопическая (находится в порах материалов), а в бурых железняках – гидратная. Удаляется гигроскопическая влага лег­ко, сразу же после загрузки материалов в печь в самых верхних горизон­тах шахты без дополнительного расхода топлива для компенсации затрат теплоты на испарение. • Гидратная, т. е. химически связан­ная в виде гидроксидов, влага удаляется при более высоких температурах, а значит, и па более низких горизонтах печи, чем гигроскопическая. Поэтому возможно взаимодействие ее с СО и С с образованием СО2, СО и Н2. Удаление летучих веществ • В верхних горизонтах печи при сравнительно низких температурах (300 – 800° С) происходит также выделение из кокса летучих веществ, которых в коксе содержится около 1 %. Средний состав летучих веществ кокса следующий, %: (СО2 – 13,0, СО – 24,0, Н2 – 40,0, СН4 – 1,0, N2 – 23,0. • Переход летучих веществ в газ несколько изменяет количество и состав доменного газа, однако заметного влияния на работу его в печи не оказывает. Разложение карбонатов CaCO3, Ca, Mg(CO3)2, MnCO3, FeCO3 • Многие компоненты доменной шихты содержат карбонаты. Известняк, применяемый в качестве флюса, на 96 – 98 % состоит из кальцита СаСO3. Карбонаты кальция, магния, марганца и железа иногда входят в состав железных руд. • При нагреве карбонаты разлагаются с выделением оксида металла и оксида углерода, что в общем виде можно представить уравнением МеСО3 → МеО + СО2 – Q Разложение сопровождается поглощением большого количества теплоты Q. Так, при разложении СаСО3 поглощается 117,988 МДж теплоты Разложение карбонатов Протекание реакции разложения карбонатов определяется: • • • • упругостью диссоциации карбоната при данной температуре; температурой; парциальным давлением СО2, в газовой фазе; общим давлением газов в реакционном пространстве. Константа равновесия реакции, в которой МеСО3 и МеО существуют в виде чистых кристаллических фаз и не образуют друг с другом твердых растворов, определяется только равновесным парциальным давлением оксида углерода, называемым упругостью диссоциации карбоната и возрастающим с повышением температуры: PCO2 = f(T) Kp = 1/PCO2; Каждый из карбонатов имеет свою упругость диссоциации, присущую ему согласно его химической природы. Величина же упругости диссоциации карбоната характеризует его прочность — чем она ниже при данной температуре, тем карбонат прочнее. С повышением температуры упругость диссоциации карбоната повышается, что приводит к понижению его прочности. • Известно, что реакции протекают в направлении достижения равновесия. Поэтому при превышении упругостью диссоциации парциального давления CO2(РCO2 > pCO2) Для достижения равновесия будет идти разложение карбоната. Когда же pCO2 > РCO2 происходит образование карбоната. И, наконец, при РCO2 = pCO2 устанавливается динамичное равновесие. • Разложение карбоната кальция (СаСО3 → СаО + СО2) происходит в области, расположенной ниже и правее кривой 2 (РCO2 > pCO). В области, расположенной выше и левее кривой 2 pCO2 > PCO2, поэтому тут происходит образование карбоната кальция (СаО + СО2 → СаСО3). Из рисунка видно, что при парциальном давлении СО2, 100 кПа разложение СаСО3 начинается при температуре ~900 С. Однако в доменной печи парциальное давление СО2 по ее высоте переменно вследствие изменения общего давления газа и содержания в нем СО2,. 1 – Давление газа в печи; 2 – упругость диссоциации СaСО3; 3 – парциальное давление СО в газе доменной печи Схема процесса разложения куска известняка Разложение известняка идет последовательно с поверхности в глубь куска. Если при разложении наружного слоя удаление СО2 как продукта реакции происходит сравнительно легко, то удаление СО2, из более глубоких зон через поры и каналы в уже разложившемся известняке затруднено. В связи с этим в реакционной зоне парциальное давление СО2, возрастает почти до значения упругости диссоциации СаСО3. 1 – газовый поток: 2 – ламинарная газовая пленка: 3 – покровный слой СаО; 4 – реакционная зона; 5 – неразложившийся карбонат. • В результате этого образующийся при разложении СаСО3, CO2будет выталкиваться из пор и каналов, ускоряя процесс разложения. Температура, при которой упругость диссоциации становится равной давлению газов в печи называемой точкой химического кипения. Интенсивное разложение известняка при этом происходит без повышения температуры куска до полного разложения СаСО3. В этом проявляется аналогия с кипением воды, которое также происходит с поглощением теплоты без повышения температуры. • Карбонаты магния, марганца и железа, являясь менее прочными, разлагаются при более низких температурах. В порядке повышения упругости диссоциации карбонаты располагаются в последовательности: СаСО3, СаМg(СО3)2, МnСО3, МgСО3, FеСО3. Разложение известняка растягивается во времени и по высоте доменной печи. Это обусловливается: • Непрерывным опусканием известняка вместе с материалами, в результате чего его разложение, начавшееся в определенной области печи, завершается на более низком горизонте по высоте. • Протеканием процесса в течение определенного времени, зависящим от скорости разложения и размера куска известняка. • Различием температур на поверхности и внутри куска известняка, которое определяется теплопередачей внутри куска. Вследствие этого требуется значительный перегрев куска на поверхности, чтобы температуры в центральной зоне куска достигли значений, при которых идет разложение. Разложение карбонатов и образованние СО2 вызывает заметное повышение расхода теплоты и кокса на единицу массы выплавляемого чугуна вследствие: • Отрицательного теплового эффекта обеих реакций, компенсируемого лишь теплотой, выделяемой при сгорании у фурм углерода. • Расхода углерода для взаимодействия с оксидом углерода. Таким образом, применение известняка в доменной печи приводит к вредным после • Применение высокоофлюсованного агломерата позволяет улучшить условия для протекания процессов восстановления и шлакообразования, что обеспечивает снижение расхода кокса и повышение производительности печей. • По расчетам профессора А. Н. Рамма, вывод из доменной шихты в агломерационную 1 кг известняка позволяет сэкономить в доменной печи до 0,35 – 0,4 кг кокса. Практика работы доменных печей показала, что фактическая экономия несколько меньше.