Технология производства чугуна

2.4.1. Подготовка сырья к доменной плавки агломерацией

Чугун - железоуглеродистый сплав, содержащий бо­лее 2,14 % углерода. Кроме углерода, в нем всегда присут­ствуют кремний (до 4 %), марганец (до 2 %), а также фос­фор и сера.

Основной технологический процесс получения железоуглеродистого сплава является удаление кислорода из железной руды. Это достигается восстановлением железа из оксидов углеродсодержащим восстановителем по реакциям:

3 Fe₂O₃ + CO = 2 Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO = FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Процесс получения чугуна осуществляют в доменной печи. Доменная печь работает эффективно, если она загружена кусковым материалом оптимального размера. В металлургии наиболее широко применяют получение кускового материала в виде агломерата или окатышей.

Агломерация - процесс окускования мелкой руды, концентратов и колошниковой пыли спеканием в результате сжигания топлива в слое спекаемого материала. Наиболее распространены ленточные агломерационные машины. Они представляют со­бой конвейер, состоящий из большого количества спекательных тележек, двигающихся по направляющим рельсам (рис. 2.12).

«Днищем» этих тележек служит колосниковая решет­ка 4. На нее загружается тонкий слой мелкого агломерата (постель), чтобы агломерируемая шихта не сыпалась книзу. Затем загружается тщательно перемешанная, увлажненная (7 - 9 %) и окомкованная шихта. Ее основ­ные железосодержащие компоненты следующие: мел­кая и пылеватая железная руда (крупность менее 10 мм), железорудный концентрат, возврат агломерата (менее 10 мм), колошниковая пыль, иногда окалина, мелкая металлическая стружка и т. д. Топливом (4 – 6 % от массы шихты) служат коксик - мелкий кокс (менее З мм) и антрацитовый штыб (пыль).

Рис. 2.12. Схема агломерационной машины:

1 - барабанный питатель для загрузки шихты; 2 - направляющие рельсы; 3 - зажигательный горн; 4 - спекательные тележки;

5 - вакуум-камеры (экс­гаустеры)

Сущность агломерации поясняет схема, приведенная на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Схема агломерационного процесса:

а - начало процесса; б - промежуточный момент; в - конечный момент А - агломерат; Ш - шихта

На колосниковую решетку 1конвейерной ленты за­гружают так называемую "постель" 2 высотой 30 - 35 мм, сос­тоящую из возврата крупностью 10 - 25 мм. Затем загружают шихту (250 - 350 мм). Под колосниковой решеткой создают разрежение около 7 – 10 кПа в результате чего с поверхнос­ти в слой засасывается наружный воздух.

Чтобы процесс начался, специальным зажигательным устройством 3 нагревают верхний слой шихты до 1200 - 1300 °С, и топливо воспламеняется. Горение поддерживается в ре­зультате просасывания атмосферного воздуха. Зона горения высокой около 20 мм постепенно продвигается сверху вниз (до колосников).

В зоне горения температура достигает 1400 - 1500 °С. При таких температурах известняк СаС0₃ разлагается на СаО и С0₂, а часть оксидов железа шихты восстанавливается до FeO. Образующиеся СаО и FeO, а также оксиды шихты Si0₂, Fe₃0₄, Fe₂0₃, А1₂0₃ и др. вступают в химическое взаимо­действие с образованием легкоплавких соединений, которые расплавляются. Образующаяся жидкая фаза пропитывает твер­дые частицы и химически взаимодействует с ними.

Когда зона горения опустится ниже мест образования жидкой фазы, просасываемый сверху воздух охлаждает массу, пропитанную жидкой фазой, и последняя затвердевает, в ре­зультате чего образуется твердый пористый продукт — агло­мерат. Поры возникают в результате испарения влаги и просасывания воздуха. Продвижение через слой шихты сверху вниз зоны, в которой происходит горение топлива и форми­рование агломерата (т.е. спекаемого слоя) длится 8 - 12 мин и заканчивается при достижении постели (рис. 2.13, в).

Рассмотрим основные химические реакции, протекающие при агломерации. Горение топлива происходит по реакциям:

С + 0,5О₂ = СО; С + 0₂ = С0₂.

В отводимых продуктах горения отношение С0₂: СО = 4 ÷ 6, но вблизи горящих кусочков кокса атмосфера восстано­вительная (преобладает СО), что вызывает восстановление оксидов железа.

Большая часть непрочных оксидов Fe₂0₃ превращается в Fe₃0₄ в результате восстановления:

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂,

либо в результате диссоциации:

6Fe₂0₃ →4Fe₃0₄.

Часть оксидов Fe₃0₄ восстанавливается до FeO:

3Fe₃0₄ + СО = 3FeO + С0₂.

Содержание FeO в агломерате обычно на­ходится в пределах 7 - 17 %, оно возрастает при увеличении расхода кокса на агломерацию; одновременно уменьшается остаточное содержание Fe₂0₃.

Известняк разлагается по реакции СаСО_э → СаО + СО,, идущей с поглощением тепла.

При агломерации удаляется сера и частично (около 20 %) мышьяк.

В процессе агломерации выгорает 90 - 98 % сульфидной се­ры, а сульфатной 60 – 70 %.

Агломерат разных заводов содержит, %: Fe _общ 47 - 58; FeO 9 - 17; Mn 0,2 - 0,6; Si0₂ 8 - 13; А1₂0₃ 1,0 - 2,5; СаО 8 -17; MgO 1 - 3; S 0,03 - 0,1.

Основные преимущества офлюсованного агломерата:

1. Исключение из доменной плавки эндотермической реакции разложения карбонатов, т.е. СaCO₃ ® CaO + CO₂ – Q, требующих тепла, а следовательно, расхода кокса.

Этот процесс перенесен на аглоленту, где расходуется менее дефицитное и более дешевое топливо, чем кокс.

2. Улучшение восстановительной способности газов в самой доменной печи вследствие уменьшения разбавления их самой доменной печи вследствие уменьшения их двуокисью углерода, получаемой от разложения карбонатов.

3. Улучшение восстановимости агломерата, так как известь вытесняет оксиды железа из трудновосстанавливаемых силикатов железа.

4 Улучшение процесса шлакообразования, так как в офлюсованном агломерате оксиды плотно контактируют друг с другом.

5. Уменьшение числа материалов, загрудаемых в доменную печь.

В конечном итоге, применение оюлюсованного агломерата приводит к сокращению расхода кокса на 6 – 15 %.

2.4.2 Производство железосодержащих окатышей

Расширение испльзования бедных руд и особенно стремление к более глубокому обогащению их привели к получению тонкоизмельченных железорудных концентратов (менее 0,07 мм).

Тонкоизмельченные концентраты обладают пониженной газопроницаемостью, а агломераты являются не прочными и разрушаются при перевозке. Эффективным способом является окатывание.

Процесс производства окатышей состоит из двух стадий: а) получения сырых (мокрых) окатышей; б) упрочнения ока­тышей (подсушка при 300-600 и обжиг при 1200-1350 °С).

Схема производства окатышей на современной фабрике по­казана на рис. 2.14

Рис. 2.14. Схема производства окатышей:

I - сушка; II - обжиг; III - охлаждение; 1 - шихтовые бункеры;

2 - сборный конвейер; 3 - смесительный барабан; 4 - бункер для бентонита; 5 - тарельча­тый гранулятор; 6 - обжиговая машина;

7 - вентиляторы; 8 - грохот

Исходную шихту: возврат (некондицион­ные окатыши), концентрат и в случае производства офлюсо­ванных окатышей известняк загружают в бункеры 7, откуда она при помощи дозаторов выдается на сборный транспортер 2 и поступает в смесительный барабан 3. После смешивания шихта поступает по другому транспортеру в окомкователь или так называемый гранулятор 5. Для лучшего окомкования и обеспечения необходимой прочности к шихте добавляют связующее вещество, обычно бентонит (мелкодисперсная гли­на) в количестве 0,5 - 1,5 % и воду в количестве 8 - 10 %. В грануляторе при круговом движении шихта при помощи связу­ющего вещества и воды постепенно превращается в гранулы - комки. При этом из гранулятора разгружаются только комки, достигшие определенного размера (шарики диаметром 10 -20 мм). На рис. 2.15 показан тарельчатый гранулятор, являющийся одним из наиболее распространенных. Часто при­меняют также барабанный гранулятор, иногда конусный.

Рис. 2.15. Тарельчатый окомкователь:

1 - Контейнер уборки окатышей; 2 - чаша; 3 – контейнер шихты;

4 – скребки

Cырые окатыши после гранулятора 5 падают на обжиго­вую машину. Обычно применяют ленточную конвейерную маши­ну, подобную агломерационной. Реже применяют для обжига окатышей другие агрегаты: шахтные печи, вращающиеся трубчатые печи, последовательно расположенные колосниковая решетка - вращающаяся трубча­тая печь.

Верх ленты перекрыт камерами в соответствии с делением на зоны сушки, обжига и охлажде­ния. Зона обжига составляет около 50 % от общей площади машины. В зоне сушки окатыши подогревают до 250 - 400 °С газами, поступающими из зон обжига и охлаждения. Циркуля­ция газов и удаление их в дымовую трубу осуществляются вентиляторами. В зонах обжига окатыши нагреваются до 1200 - 1350°С продуктами горения газообразного или жидкого (мазута) топлива, просасываемыми через слой окатышей на колосниковой решетке машины. В зоне охлаждения окатыши охлаждаются принудительно подаваемым через колосниковую решетку воздухом. Охлажденные окатыши разгружаются на грохот. Фракцию > 5 мм отправляют на доменную плавку, а фракция 0-5 мм является возвратом. Время пребывания ока­тышей в зоне обжига равно 7—12 мин.

Основная цель обжига окатышей сводится к упрочнению их до такой степени, чтобы они в дальнейшем выдерживали транспортировку, перегрузки и доменную плавку без значительных разрушений. При этом в отличие от агломерации нельзя доводить процесс до перехода значительной части шихты в жидкое состояние. Если не ограничить верхний пре­дел температуры (1320 - 1350 °С), то произойдет оплавление окатышей и сваривание их в крупные глыбы. В то же время понижение температуры обжига ниже 1200 -1250 °С приводит к понижению прочности окатышей.

Обычно окомковывают магнетитовые концентраты. Основными физико-химическими процессами при обжиге являются раз­ложение известняка, окисление магнетита, химические взаи­модействия с образованием легкоплавких фаз, упрочнение окатышей, удаление серы.

При обжиге офлюсованных окатышей идет разложение из­вестняка СаСО₃ с образованием СаО и поглощением тепла. Поскольку атмосфера в зоне обжига окислительная, при тем­пературах 900 - 1000°С идет окисление магнетита до гемати­та: 2 Fе₂0₃ + 0,5О₂ = З Fе₂О₃.

Упрочнение окатышей (спекание частиц в прочную грану­лу) происходит преимущественно путем твердофазного (без участия жидкой фазы) спекания и отчасти путем жидкофазного.

По сравнению с агломератом производство окатышей хара­ктеризуется меньшим отсевом мелочи, дополнительным расхо­дом топлива; у окатышей выше содержание железа и ниже ос­новность, а себестоимость их производства примерно одина­кова. Основным преимуществом окатышей является более вы­сокая холодная прочность, что позволяет транспортировать их на большие расстояния; однако их горячая прочность ни­же, и содержание мелочи в шахте печи при проплавке агло­мерата и окатышей выравнивается.

Металлизованные окатыши. В последнее время в доменном производстве опробованы металлизованные окатыши, в кото­рых часть оксидов железа восстановлена до железа. Повыше­ние степени металлизации окатышей на каждые 10 % обеспе­чивают снижение расхода кокса на 4,5 - 6 % и увеличение производительности доменной печи на 5 - 7 %. На металлиза­цию расходуется топлива больше, чем кокса на восстановле­ние железа в доменной печи, но это более дешевое и менее дефицитное топливо, чем кокс (уголь, природный газ).

2.4.3. Процесс доменной плавки

Сущность доменной плавки сводится к раздельной загрузке в верх­нюю часть печи, называемой колошником, агломерата, кокса и флю­сов, располагающихся в шахте печи слоями.

Основным топливом и реагентом в доменной печи служит кокс, а также частично его заменяют природным газом, мазутом или пылевидным углем.

При нагревании шихты за счет горения кокса, которое обеспечивает вдуваемый в горн горя­чий воздух, в печи идут сложные физико-химические процессы, и шихта постепенно опускается навстречу поднимающимся горячим газам. В результате взаимодействия компонентов шихты и газов в нижней части печи, называемой горном, образуются два несмеши­вающихся жидких слоя - чугун и шлак.

На рис. 2.16 показана схема доменной печи.

Печь опирается на фундамент 1, большая часть которого заглублена в землю. Снаружи печь заклю­чена в сплошной стальной кожух 9. Внутри кожуха находится футеровка 8, охлаждаемая холодильниками которые крепятся к внутренней поверхности кожуха. В нижней части печи (горне) расположены летки 3для выпуска чугуна и летки 21для выпуска шлака. Вокруг печи проложен кольце­вой футерованный воздухопровод 6, в который из воздухонагревателей подается горячее дутье (воздух); кольцевой воздухопровод служит для подвода дутья к многочисленным расположенным по окружности печи фурменным устройствам 5, через которые дутье поступает в верхнюю часть горна. Выше колошника 10печи расположено колошниковое устройство. Оно включает газоотводы 15, 19, служащие для отвода из печи доменного газа; засыпной (загрузочный) аппарат и ряд других механизмов, связанных с загрузкой шихты и отводом газа. Показаны элементы засыпного аппарата: большой конус 11, закрывающий воронку (чашу) 20; малый конус 12, закры­вающий воронку 17, и механизм 13, обеспечивающий их вра­щение; приемная воронка 14, в которую шихтовые материалы высыпают из скипа 16путем его опрокидывания, причем скип доставляют на колошник по рельсам наклонного моста 18.

Рис. 2.16. Общий вид доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом: 1 -фундамент; 2 - колонна; 3 - летка для выпуска чугуна; 4 - чугунные желоба; 5 - фур­менные устройства; 6 - коль­цевой воздухопровод; 7 - мараторное кольцо кожуха; 8 - футеровка; 9 - стальной ко­жух; 10 - колошник; 11-большой конус; 12 - малый ко­нус; 13 - вращающий механизм засыпного устройства; 14 - приемная воронка; 15, 19 - газоотводы; 16 - скип; 17 - воронка; 18 - наклонный мост; 20 - воронка (чаша); 21 - летка для выпуска шлака; 22 – площадка

Тяжесть кожуха и футеровки верхней части печи пере­дается на фундамент через мараторное кольцо 7 кожуха и колонны 2. Выпускаемый из печи через летки 3жидкий чугун поступает в располагаемые на рабочей площадке 22чугунные желоба 4 и по ним в чугуновозные ковши; выпускаемый через летки 21шлак по расположенным на площадке 22шлаковым желобам стекает в шлаковозные ковши либо на установки припечной грануляции жидкого шлака.

В верхней части горна расположены фурменные отверстия (16 - 20 шт.), через которые в печь под давлением около 300 кПа (3 ат) подается обогащенный кислородом воздух при температуре 900 -1200 °С.

Жидкий чугун выпускают каждые 3 - 2 ч (а в крупных печах ежечастно) поочередно через две или три летки, которые для этого вскры­вают с помощью электробура. Выливающийся из печи чугун направляется по желобам литейного двора в чугуновозные ковши, расположенные на железнодорожных платформах. Шлак, выливающийся с чугуном, предварительно отделяют от чугуна в желобах с помощью перекры­вающих затворов и направляют в шлаковозы. Кроме того, часть шлака иногда выпускают из доменной печи до выпуска чугуна через шлаковую летку. После выпуска чугуна летку забивают пробкой из огнеупорной глины с помощью электромагнитной пушки.

Печь монтируют в прочном сварном стальном кожухе, интенсивно охлаждаемом водой. Внутри печь выкладывают высококачественным шамотным кирпичом, а отдельные части печи изготовляют из прес­сованных углеродистых блоков.

Условно процесс, протекающий в доменной печи, разде­ляют на следующие этапы:

- горение углерода топлива;

- разложение компонентов шихты;

- восстановление окислов;

- науглероживание же­леза;

- шлакообразование.

Горение углерода топлива происходит главным образом возле фурм, где основная масса кокса, нагреваясь, встречается с нагретым до температуры 900 -1200 °С кислородом воздуха, поступаю­щим через фурмы. Образовавшаяся при этом углекислота вместе с азотом воздуха, поднимаясь, встречается с раскаленным коксом и взаимодействует с ним по реакции:

СО₂ + С = 2СО.

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево при понижении.

Восстановление окислов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса—вос­становление железа из его окислов. Восстановление окислов железа идет ступенчато по следующей схеме: Fе₂О₃ → Fе₃O₄→ FeO → Fe.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значи­тельное количество СО:

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию ка­пель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления окис­лов железа в доменной печи. Шлак состоит из окислов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400 - 1450 °С. Основные составляющие доменного шлака - кремнезем (30 - 45 %), окись кальция (40 - 50 %), глинозем (10 - 25 %).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности, перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шла­ковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные про­дукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. Газ со­стоит из 26 -32 % окиси углерода, 9 -14 % двуокиси углерода и 54 -58 % азота.

Степень восстановления железа достигает 99- 99,8 % и лишь 0,2 – 1 % переходит в шлак.

При плавке в доменной печи происходит также восстановление (полное или частичное) других оксидов: марганца, кремния, фосфора и т.д. В передельном чугуне может быть 0,7 – 1,2 % Mn, 0,5 – 1,0 % Si, 0,15 – 0,3 % P и т.д.

Конечный шлак на 85 – 95 % состоит из SiO₂, Al₂O₃ и CaO, %: 38 – 42 SiO₂, 38 – 48 CaO, 6 – 20 Al₂O₃ , 2 - 12 MgO, 0,2 – 0,6 FeO, 0,1 – 2 MnO и 0,6 – 2,5 серы. Температура шлака несколько выше тепературы чугуна исоставляет 1400 – 1560⁰С.