Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 7 » Доменный процесс
12:03
Доменный процесс

Высокая потребность в сталях и чугунах, во все времена обращала пристальное внимание технологов и изобретателей на процессы восстановления железа из его руд.

В течение последних трех тысячелетий, металлургия железа прошла солидный путь от "волчих ям” до электродуговой плавки под вакуумом. Но, главной страницей в летописи железа, остается и навсегда останется доменная печь – домна.

Современная доменная печь имеет высоту до сотни метров, объем до нескольких тысяч метров кубических и производительность до 5000 тон чугуна в сутки. На одну тонну чугуна расходуется 1,8 тон руды, 0,7 тон кокса, 0,3 тонны флюсов и 3-4 тонны воздуха. Эти показатели в разы лучше, чем у "домниц” времен реформ Петра I. И сегодня идет совершенствование доменного процесса, направленное на снижение потребления кокса, и, следовательно, воздуха. Воздух предлагается обогащать кислородом.

Разберем подробнее, что из себя представляет доменная печь. В начале строительства роют котлован для фундамента и цокольных построек. Затем, сваривают каркас фундамента и оснований стен и заливают бетон (обычно в несколько десятков стадий, для более равномерной сушки и усадки). После, строят несущий каркас печи – массивные железобетонные колонны, которые затем используют в качестве опор для возводимой конструкции.

После колонн, производят строительно-монтажные работы по возведению основных обслуживающих агрегатов: воздухоподогревателей, воздухоочистителей и системы подачи материала в печь (бункеры, барабанный смеситель, основание конвейера). При этом, постепенно сваривают несущий каркас домны: раму из швеллера и двутавра и покрытие из стальных листов.

После возведения несущего каркаса печи, внутреннюю часть печи вручную выкладывают огнеупорными кирпичам – футеруют. Это делается для снижения потерь тепла в ходе процесса и защиты несущей части конструкции от высоких температур. Стальной каркас может покоробиться или просто расплавиться от воздействия температур доменного процесса. Футеровочный кирпич имеет очень высокую термостойкость (в среднем около 2000оС). Но, он отличается, либо пористостью и низкой прочностью (шамот, магнезит), либо хрупкостью (кварц, кварцит). Поэтому, не может выполнять функцию несущей конструкции.

В промышленности применяются термостойкие керамические материалы четырех типов: кислые, полукислые, нейтральные и основные. В зависимости от реакции среды данного минерала.

Все кислые огнеупорные материалы (динас, кизельгур, кварц и др.) основаны на кремнеземе, то есть, диоксиде кремния. Динас и кизельгур ("инфузорная земля”) имеют более пористую и менее однородную структуру, они образовались из окаменевших панцирей микроскопических рачков, обитавших в океанах палеозойской эры. Кварц имеет вулканическое происхождение и представляет собой геотермально расплавленную, стекловидную массу, состоящую из почти чистого диоксида кремния. Теплоизоляционные свойства кварца ниже, чем у двух других теплоизоляторов, но, он более прочен, хотя и достаточно хрупок.

Полукислые огнеупоры (кварц, песок, кварцит и пр.) представляют собой тот же кремнезем, но, сплавленный с некоторым количеством силикатов щелочных и щелочноземельных металлов. Поэтому, они более распространенные и дешевые материалы, чем кислые огнеупоры, хотя имеют менее равномерную структуру. Из-за чего, они менее долговечны.

К основным огнеупорам относятся такие  материалы, как доломит, хромомагнезит и магнезит. То есть, это сплавы силикатов щелочноземельных металлов со смешанными оксидами, один из которых – оксид переходного металла (чаще всего, Cr2O3), а второй – оксид щелочноземельного металла (чаще всего, MgO). Такие сплавы имеют достаточно плотную структуру и высокую термостойкость. Чаще всего, их используют для футеровки кислородных конвертеров, вагранок и других устройств, работающих сравнительно недолгое время при достаточно высоких температурах.

Нейтральными огнеупорными материалами являются шамот и хромистый железняк. Шамот представляет собой смесь мелкоразмолотой, предварительно обожженной глины и небольшого количества свежей глины. При обжиге изделия из такой массы, оно имеет минимальную усадку, то есть, практически не растрескивается. К тому же, шамот имеет мелкопористую структуру, что повышает теплоизоляционные свойства и снижает структурные напряжения при переменной температуре. Хромистый железняк – это смешанный оксид, состоящий из оксида железа (III), оксида хрома (III) и силиката железа.

После сборки основной конструкции домны, производят монтаж оставшихся агрегатов (цепной конвейер подачи сырья в загрузочный блок, сам загрузочный блок, датчики и магистрали контрольно-измерительных приборов (КИП) и пр.) и их связку в единую систему. После последних проверок и приемки комиссией, всю систему отлаживают (настраивают) и готовят к запуску. Подготовка может занимать до нескольких месяцев. На последних этапах подготовки, печь сушат и прокаливают. Затем загружают первое сырье, и начинается "компания”, в русскоязычных странах так принято называть продолжительный цикл непрерывной работы доменной печи со всеми обслуживающими агрегатами. Для современных доменных печей кампания длится 5-8 лет, поэтому, большое внимание уделяется надежности и износостойкости всех узлов и агрегатов. Снижение продолжительности кампаний привело бы к ускорению износа печи (растрескивание при частых переменах температуры) и увеличению расхода топлива (частые нагревы и охлаждения, это тепло на воздух, а общая теплоемкость печи может достигать нескольких центнеров кокса на один градус нагрева).

Как и все технологические установки, прошедшие длинный и напряженный путь эволюции, доменная печь поражает своим величием и красотой. Ни чего лишнего, при этом, практически все предусмотрено; каждая линия на чертеже и каждый кирпичик в кладке имеют свой смысл и обоснование (рисунок 1).

Рисунок 1.

Вокруг массивного фундамента печи располагается опорное кольцо из прочных металлоконструкций. Оно держит свод основной части печи – шахты. Сверху шахты расположена прочная сварная конструкция из низколегированной стали – колошник. Колошник состоит из загрузочного бункера, дозирующе-распределительного устройства конусного типа и отводящих патрубков, по которым из печи выходит доменный газ. Загрузочное устройство конусного типа обеспечивает оптимальное распределение шихты по сечению канала домны – более крупные комки скатываются в центр, мелочь падает у стенок. Такая загрузка обеспечивает более равномерное движение газов сквозь сырье. Так как, аэродинамическое сопротивление шихты минимально у стенок, если не повысить пористость в центре печи, то там останется непрореагировавший материал.

Загружаемый в печь материал – шихта, представляет собой смесь кокса, пористых комочков руды (перед загрузкой, руду сушат и спекают), и флюса, в различных пропорциях. Загрузку производят партиями, одна богата флюсом, следующая коксом и рудой, и так далее. Это делается для более равномерной работы печи и обеспечения образования шлака в нужный момент продвижения массы в печи. Температура в колошнике составляет 200-300оС, здесь начинается окончательная сушка шихты.

Ниже колошника расположена основная часть печи – шахта, температура здесь постепенно поднимается от 300 до 1200оС. Здесь шихта просушивается, растрескивается, прокаливается и начинает реагировать с окисью углерода, поднимающейся из недр печи. Шахта делается расширяющейся к низу, это сделано не только для устойчивости конструкции, но и для упрощения скатывания шихты при ее спекании и осадке при нагреве. Заодно, происходит некоторое пересыпание материала при изменении сечения, что способствует перемешиванию и усреднению шихты по площади сечения шахты.

Ниже шахты расположен распар – цилиндрическая часть домны, здесь температура около 1400-1500оС. В этой части печи начинается каплеобразование расплавленного металла и его насыщение углеродом, поэтому, следует, немного придержать шихту, и дать ей уплотниться.

После распара следует сужающаяся часть печи – заплечики, так как, здесь температура достигает 1600-1900оС, то происходит плавление всех компонентов шихты, сопровождающееся активным науглероживанием железа и обменными процессами между флюсом и примесями, растворенными в железе. Эта часть имеет коническую форму, так как, снижается пористость и объем массы, прохождение газов через материал приобретает характер борботирования (пузырьки через жидкость).

Практически расплавленный материал поступает в горн, самую горячую часть домны, здесь, расплавленный металл быстро стекает вниз, на лещадь – нижняя часть горна, служащая накопителем для расплавленного чугуна. В верхней части гона смонтированы фурмы – штуцера для подачи в печь горячего воздуха. Образующийся при перегреве шлак всплывает в ванне жидкого чугуна, защищая его от воздействия кислорода. Остатки непрореагировавшего кокса также всплывают вместе со шлаком и сгорают в струях воздуха. При этом происходит образование горячего газового потока, имеющего температуру горна – 1800оС. Газовый поток состоит в основном из азота, диоксида углерода и остатков кислорода.

Поднимаясь по жерлу домны, диоксид углерода постепенно реагирует коксом шихты, превращаясь в окись углерода, которая, обладая сильной восстановительной способностью, намного быстрее твердого кокса, восстанавливает железо из оксидов. Восстановление железа протекает поэтапно, от высших оксидов (III) к чистому железу. После восстановления, жидкое железо реагирует с оксидом углерода, превращаясь в карбид железа Fe3C (цементит), а оксид углерода при этом переходит в диоксид.

В верхней половине домны, диоксид снова переходит в оксид, и выходит с колошниковым газом. Поэтому, колошниковый газ состоит на 98% из смеси азота, водорода и оксида углерода, и является газообразным топливом, хотя и сильно разбавленным азотом.

Вернемся в горн, там уже накопилось много жидкого чугуна, сверху покрытого толстым слоем пористого шлака, находящегося в практически расплавленном состоянии. Под фурмами, расположено отверстие для выпуска шлака – шлаковая лётка. Старинное слово "лётка”, по видимому происходит от слова "лётать”, то есть, летать, бегать. Через шлаковую лётку производится выпуск верхового шлака, каждые 1,5-2 часа. Для выпуска чугуна служит чугунная лётка, чугун выпускают каждые 3-4 часа. Более частый выпуск шлака обусловлен меньшим объемом для его накопления, так как, при большем объеме, увеличится сопротивление стекающим сквозь шлак каплям чугуна. Это сместит условия процесса шлакообразования на поверхности ванны чугуна в менее оптимальную, с точки зрения качества чугуна, область.

Вместе с жидким чугуном, из печи вытекает некоторое количество шлака, это шлак называют "нижним”. В отличие от верхнего шлака, нижний шлак имеет меньшую пористость и температуру плавления. При застывании, верхний шлак дает тугоплавкий керамический материал с крупными порами, нижний шлак – более стеклообразный грязно-прозрачный материал практически без пор. В соображениях технологичности и упрощения автоматизации процесса, шлак выпускают в бассейн с водой, где он, под действием сил поверхностного натяжения и а агломерации, вспенивается и слипается в пористые комочки. Такой шлак, после фильтрования и сушки, используется в строительстве, в качестве инертного наполнителя. Главным образом, в малоэтажном строительстве.

Из шлака, образующегося при переработке некоторых руд можно выделить ряд редких и достаточно ценных металлов.

Для обеспечения стабильности качества чугуна и равномерности хода процесса, шлакообразование должно происходить в определенный момент, после восстановления всего железа, но, до попадания под струи воздуха из фурм.

Полученный чугун, как правило, выпускают не в конвертер или формы, как это было ранее, а в приемник-накопитель. Так называемый, "миксер” – огромная емкость, футерованная термостойким материалом и обогреваемая сгорающим газом, для поддержания чугуна в расплавленном состоянии. В миксере происходит усреднение больших партий чугуна.

Так как, сегодня становится все больше относительно мелких предприятий, занимающихся производством чугуна и изготовлением литых изделий. Сам чугун в качестве конструкционного материала, теряет свои позиции. Применение миксера становится нерентабельным, тем более, что топливо постоянно дорожает, а средства КИП дешевеют и становятся точнее и оперативнее. Поэтому, рентабельнее поддерживать в домне более стабильные условия для получения более однородных партий чугуна, а затем, сразу перерабатывать его в сталь.

Еще в конце 19-го века, в доменный процесс было внедрено одно интересное устройство – воздухонагреватель. Каждая доменная печь снабжается минимум двумя воздухонагревателями, они работаю периодически. За неимением высококачественных коррозионных сталей, тогдашние мастера не имели возможности изготовить стандартный кожухо-трубчатый теплообменник для подогрева атмосферного воздуха доменными газами, или продуктами их сгорания. Зато, они применили термостойкий кирпич, каким футеруют домны. Для этого, строится высокое сооружение с овальным сводом, напоминающее колонну, внутри располагается несколько стенок из термостойкого кирпича, образующие лабиринт для газов.

При работе печи, колошниковые газы подаются в специальный штуцер, где они смешиваются с воздухом и поджигаются. Пламя и продукты сгорания нагревают кирпичи внутри башни и выходят наружу. Когда внутренности колонны и кирпичи прогреты до температуры, порядка 1300-1400оС, перекрывают подачу газа. Через колонну противотоком пропускают атмосферный воздух, который подогревается и поступает в домну. Колонны (воздухоподогреватели) работают периодически.

Инженеры и технологи 19-го столетия не только гениально обошлись без легированных сталей, но и решили некоторые экологические проблемы. Пыль и сажа, выходящие с колошниковыми газами, и не осевшая в очистных сооружениях, оседала на шероховатых внутренностях колонны и насадки из кирпичей. При прохождении через колонну воздуха противотоком, пыль уносилась обратно в колонну и участвовала в процессе, оказываясь в результате там, где ей и следует: в шлаке или в чугуне.

Современные технологии позволяют добиться и высокой очистки отходящих газов и производства высококачественных теплообменников. Но, насколько мне известно, до 1990-х годов, все крупные домны в мире строили по выше описанной технологии. Настолько экономически целесообразной она оказалась.

Кстати, об экологии, кто застал времена Советского союза, вероятно, помнит картинки из западной пропаганды, где изображены советские металлургические центры и закопченные рабочие. Запад стремился подорвать дух советского народа (и это ему вполне удалось) демонстрируя отсталость и утопичность советской промышленности. Даже во многие литературные произведения той поры проникло это заблуждение (вспомните детектив "Переговоры” Ф. Форсайта). Дело в том, что западные страны (Европа, США) предпочитали располагать свои наиболее крупные (и наиболее опасные) предприятия в странах третьего мира, выступая в качестве ведущих акционеров (они и сейчас так делают). А, на родине, несмотря на высокую плотность населения, экология оставалась в рамках разумного, благодаря небольшому количеству и мощности наиболее опасных для экологии предприятий. Но, это к слову.

Вместе с железом, в доменной печи происходит восстановление и примесей железа: кремния, марганца, фосфора и серы. Все они восстанавливаются тяжелее железа, поэтому процесс идет в высокотемпературных областях домны, под действием непосредственно углерода кокса. Реакции идут с поглощением тепла, за исключением марганца: MnO+CMn+CO.

Восстановление кремния протекает при температурах выше 1500оС: SiO2+2CSi+2CO. Фосфор восстанавливается только в присутствии диоксида кремния, так как, содержится в шихте в основном в виде фосфатов. При высокой температуре происходит вытеснение из фосфатов оксида фосфора (V) диоксидом кремния. Оксид фосфора с трудом восстанавливается углеродом и растворяется в чугуне.

Кремний  в меньшей степени восстанавливается в условиях доменного процесса, чем марганец и фосфор, поэтому, шлак содержит большое количество силикатов.

Сера, пришедшая, в основном с сульфатами, после восстановления растворяется в железе, образуя сульфид железа. При кристаллизации чугуна, эта соль вытесняется на поверхность структурных зерен, снижая прочностные свойства материала.

Для связывания вредных примесей в шлак, в шихту добавляют флюсы. При кислотном характере примесей (чаще всего), в качестве флюсов добавляют жженую известь. При основном характере большей части примесей (пустой породы), добавляют кварциты, то есть, почти чистую поликремневую кислоту. Флюсы призваны не только связывать вредные примеси, но и снизить температуру плавления пустой породы, переводя ее в соли.

Для снижения расхода кокса, иногда, его частично заменяют природным газом. Что позволяет экономить до 10-15% средств на коксе.

Категория: Металлургия | Просмотров: 2211 | Добавил: Chemadm | Теги: металлургия железа, чугун, домна | Рейтинг: 4.7/27
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]