Нарушение распределения газового потока

Нарушение распределения газового потока заключается в нерациональном распределении потока в поперечном сечении печи.

Различают:

· периферийный ход, при котором большая часть газа движется вдоль стенок печи;

· осевой ход, когда основная масса газа движется по центральной части печи;

· канальный, при котором газ в больших количествах идет через вертикальный канал вблизи стенки печи с какой-то одной стороны.

Недостатком всех этих режимов движения газа является неудовлетворительное использование тепловой и химической энергии газа вследствие неравномерного распределения газа по сечению доменной печи, что приводит к ее похолоданию.

Мерами по устранению указанных нарушений являются:

· повышение качества гранулометрического состава доменной шихты, что ведет к улучшению газопроницаемости шихты;

· регулирование режима загрузки шихты, позволяющее равномерно распределять шихтовый материал по сечению печи.

Нарушение теплового режима доменной плавки Нарушение теплового режима доменной плавки ведет к недостатку тепла (похолоданию) или к избытку тепла в печи (горячему ходу).

Причинами, ведущими к недостатку тепла, могут быть:

· повышение влаги в коксе;

· попадание воды в печь;

· уменьшение выноса пыли;

· неправильное распределение газов в печи и другие факторы.

Для устранения отклонений от нормального хода печи в этом случае принимают меры:

· повышают температуру нагрева дутья;

· уменьшают подачу воздуха;

· снижают влажность дутья;

· снижают рудную нагрузку на кокс (снижают количество рудного материала в расчете на 1 тонну кокса).

Причинами возникновения условий, приводящих к избытку тепла в печи, могут быть:

· возрастание давления дутья;

· снижение скорости опускания шихты;

· повышение температуры доменного газа и другие факторы.

Для ликвидации этих отклонений принимают меры:

· увеличивают рудную нагрузку;

· повышают влажность дутья;

· снижают температуру дутья.

Нарушение ровного схода шихтовых материалов

Нарушение ровного схода шихтовых материалов заключается в работе печи с пониженной против обычной скоростью опускания шихты. Эти отклонения называют тугим ходом с подвисаниями и осадками, когда периодически движение шихты прекращается и происходит подвисание. При этом в нижней части печи продолжается горение кокса и плавление рудной части шихты, в результате чего появляется незаполненное свободное пространство и столб шихты падает в освободившееся пространство, происходит осадка шихты. Причинами такой нестабильной работы доменной печи являются:

· увеличение количества мелочи в шихте;

· снижение прочности агломерата и кокса;

· увеличение количества шлака и другие факторы.

Для устранения указанных отклонений принимают меры:

· добиваются улучшения газопроницаемости столба шихтовых материалов;

· снижают температуру дутья;

· уменьшают расход дутья.

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.

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.

Н2Ож → Н2Опар.

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:

СО2 + С = 2СО. Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции: FeO + C = Fe + CO.

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: Н2О + С = Н2 + СО

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: MnO + С = Mn + СО.

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 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: 3Fe + C = Fe3C.

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. Чугун выпускается из печи через каждые 60 – 90 мин.

Топливо и флюсы для доменной печиТопливо, 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

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).

ФлюсыФлюсы 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).