Производство чугуна в доменной печи

--PAGE_BREAK--.



 Доме­нный процесс стараются вести так, чтобы обеспечивался ми­нимальный расход дефицитного и дорогостоящего кокса. На­ряду с рядом других факторов большое влияние на расход кокса оказывает степень развития прямого и косвенного восстановления. Сравнивая эти способы восстановления, от­мечают следующее. Отрицательной стороной прямого восста­новления является то, что оно протекает с затратой тепла; кроме того увеличение степени прямого восстановления при­водит к снижению количества кокса, достигающего фурм и, следовательно, к уменьшению прихода тепла в горне. Реак­ции косвенного восстановления не требуют затрат тепла. Однако косвенное восстановление требует значительно боль­шего расхода углерода, чем прямое. Причина в том, что для протекания реакций косвенного восстановления необходимо определенное соотношение между СО и 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 один атом 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 прямого восстановления  FеО+С = Fе+СО на один атом железа расходуется один атом углерода, вносимого коксом.

Должно существовать оптимальное с точки зрения расхода углерода соотношение между прямым и косвенным восстанов­лением. Для оценки доли прямого или косвенного восстанов­ления используют ряд показателей. Предложенный акад. М.А.Павловым показатель — степень прямого восстановления обозначается величиной dи показывает часть железа в процентах или долях единицы, восстановленного из FеО пря­мым путем. При этом, если прямым путем восстанавливается до Ре, то косвенным восстанавливается (100 — d) %.

В настоящее время степень прямого восстановления на печах, работающих без применения природного газа или ма­зута, составляет 40-60 %, а на печах, в которых применяют углеводородные добавки, 20-40 %. Наивыгоднейшая степень прямого восстановления, при которой достигается минималь­ный расход кокса, меньше приведенных величин. Фактические значения dобычно выше оптимальных, и поэтому необходимо принимать все меры для улучшения условий восстановления шихты газами, Т.е. для повышения степени косвенного вос­становления (вдувание восстановительных газов, улучшение распределения газов в печи, подготовка шихты), что обес­печит снижение расхода кокса.

Степень прямого восстановления железа получается ниже у печей, работающих с пониженной температурой дутья и на более бедной шихте. Однако эти факторы приводят к повыше­нию расхода кокса.
3.3.          Восстановление марганца и выплавка марганцовистыx чугунов
При выплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составе агломерата и иногда в составе добав­ляемых небольших количеств марганцевых руд, а при выплав­ке ферромарганца в составе марганцевого, агломерата или марганцевых руд.

Марганец в рудах находится главным образом в виде МnО2, Мn20з и МnЭО4, а в агломерате в виде силикатов марганца МnО  Si02.

Восстановление марганца из оксидов протекает ступенча­то от высших оксидов к низшим:

     МnО2 — Мn2Оз — МnЗО4 — МnО — Мn.

Таким образом, для более полного восстановления мар­ганца необходимы высокие температуры в горне, увеличение поступления тепла в горн и повышенная основность шлака.

Восстановительные условия доменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенный шихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления мар­ганца составляет 55-65 %, остальная часть марганца остается в шлаке в виде МnО. Из сказанного следует, что содержание марганца в чугуне будет в первую очередь опре­деляться его содержанием в шихтовых материалах.

Еще в недавнее время выплавляли передельные чугуны с содержанием марганца 0,7-1,2 %, а десятилетия назад – с содержанием марганца до 11,75-3,5 %. Для получения столь высокого содержания марганца в чугуне требовалось вводить в доменную печь или в шихту агломерации марганцевую руду. В настоящее время в связи с дефицитностью марганца и мар­ганцевых руд, а также в связи с тем, что при выплавке стали большая часть содержащегося в 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 марганцевую руду, как правило, не добавляют, и чугун содержит столько марганца (от 0,1 до 0,3-0,5 %), сколько его восстановится из оксидов марганца, содержавшихся в железных рудах в качестве примесей. Переход на выплавку мало марганцовистых чугунов позволил экономить не только марганец, но и кокс за счет уменьшения его расхода на прямое восстановление марганца и на проплавление пустой породы марганцевых руд.
3.4.          Восстановление кремния и выплавка кремнистых чугунов.
Кремний присутствует в рудах главным образом в виде крем­незема, а в агломерате — в виде силикатов железа и каль­ция и силикатов промежуточного состава – оливинов СаО2 FeOSi02. Сродство кремния к кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем по следующей реакции:

Si02 + 2С = Si+ 2СО — 636760 Дж.

Точнее, эта реакция восстановления идет в две стадии с образованием промежуточного соединения — монооксида крем­ния SiO(последний является при высоких температурах):

Si02 + С — SiO+ СО -SiO+ С — Si+ СО


Si02 + 2С = Si+ 2СО.

Термодинамический анализ показывает, что для протека­ния этой реакции в направлении слева направо нужна высо­кая температура — около 1500 0C. Вместе с тем установле­но, что в доменной печи кремний восстанавливается при более низкой температуре. Это связано с присутствием же­леза: с твердым железом кремний образует силицид FeSi, а в жидком он растворяется; эти процессы протекают с выде­лением тепла и выводят кремний из зоны реакции, способст­вуя сдвигу равновесия реакции восстановления вправо. Так, лабораторные опыты показали, что реакция восстановления твердого Si02 с участием железа Si02+ 2С + Ре= FeSi+ 2СО получает заметное развитие при 1200-1300 0С, а эта же ре­акция восстановления Si02 из шлака — при 1400-1550 0С.

В доменной печи при температурах 1200-1250 0С уже сфор­мирован жидкий шлак, и поэтому основная часть кремния во­сстанавливается прямым путем из Si02, находящегося в шла­ке при стекании капель шлака в горн между кусками кокса.

Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, являются высокая температура в районе горна, а также кис­лые шлаки, т.е. содержащие мало СаО, так как СаО связы­вает Si02 в силикаты, затрудняя восстановление Si02. По­скольку В доменной печи основность шлака, определяемая основностью используемого флюсованного агломерата, является относительно постоянной, количество восстанов­ленного кремния зависит прежде всего от температуры в горне и 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 содержания кремния в этих пределах в выпускаемом чугуне служит показателем теплового состояния горна; уменьшение содержания кремния в чугуне свидетель­ствует о снижении 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 выплавляют литейный чугун, содержащий 1,2-3,75 % кремния. Перевод печи с выплавки передельного чугуна на выплавку литейного заключается в увеличении расхода кокса на 10-20 % по сравнению с обычным. После

того как эти увеличенные порции кокса при движении сверху достигают фурм, температура в горне повышается, вызывая увеличение степени восстановления кремния из шихты, которая достигает 10-25 % (вместо 2-8 % при выплавке пере­дельного чугуна). При этом выпускаемый чугун будет содер­жать повышенное количество кремния.

Ранее в доменных печах выплавляли бедный ферросилиций, содержавший 9-15 % кремния; при этом расходовали 1-1,3 т кокса на 1 т сплава и  450 кг металлодобавок. В настоя­щее время в связи с не экономичностью и, в первую очередь, в связи с большим расходом кокса, эту выплавку прекра­тили. Более экономична выплавка ферросилиция, содержащего 45-75 % кремния, в ферросплавных электропечах.

3.6. Восстановление фосфора

Фосфор поступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в виде фосфата 3СаО P2O3 и иногда 3РеО + P2O3 + 8H2O. Фосфат 3СаО P2O3 интенсивно вос­станавливается при температурах 1000-1200 ос и более с большой затратой тепла:

3СаО + P2O3 + 5С = 2Р + 3СаО + 5СО — 1634000 Дж,

причем часть его восстанавливается из шлака.

     Фосфат железа менее прочен и восстанавливается 900-1000 0C газом СО и частично углеродом, например:

2(3РеО+ P2O3) + 16СО= 3Fe2P + Р+ 16CO2.

Образующиеся при этих реакциях фосфор и фосфид Fe2P активно растворяются в железе, и практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственным спо­собом получения чугуна с низким содержанием фосфора яв­ляется использование чистых по фосфору рудных материалов.

Передельные чугуны содержат менее 0,15 — 0,30 % фосфо­ра; иногда используют высокофосфористые железные руды, получая чугуны с содержанием фосфора 1,0- 2,0 %.
3.6.          Восстановление других элементов.
Представление о возможности восстановления элементов, входящих в состав доменной шихты, может быть получено на основании термодинамических данных, характеризующих проч­ность их оксидов, т.е. величину их химического сродства к кислороду. Элементы доменной шихты по возрастанию сродст­ва к кислороду располагаются в следующем порядке: Сu, As, Ni, Ре, Р, Zn, Мn, Y, Cr, Si, Ti, Al, Mg, Са. Соответст­венно, степень восстановления элементов тем меньше, чем правее стоит элемент в приведенном ряду.

Такие элементы как никель, медь, мышьяк, подобно желе­зу и фосфору, почти целиком восстанавливаются в печи и переходят в чугун.

Ванадий и хром восстанавливаются аналогично марганцу­ соответственно на 70-80 и на 80-90 %, а титан — аналогич­но кремнию. Степень восстановления титана ниже, чем крем­ния. Алюминий, магний и кальций в доменной печи не вос­станавливаются.

Особо следует отметить поведение цинка. Он содержится в некоторых железных рудах, а также попадает в доменные печи в составе добавляемых в шихту железосодержащих отходов — конвертерных шламов, колошников и пыли и др. посту­пая в печь в основном в виде ZnO, он легко восстанавли­вается при температурах > 950 0С: ZnO + С = Zn + СО и, испаряясь, поднимается с газами вверх. В зонах с умерен­ными температурами Zn вновь окисляется до ZnO, реагируя с CO2 и оксидами железа. Часть ZnO (10-30%) уносится из печи доменным газом; часть в смеси с сажистым углеродом осаждается на стенках печи, образуя большие настыли; часть осаждается в швах и порах футеровки, вызывая увели­чение ее объема и возможность разрыва кожуха печи; часть осаждается на кусках шихты, и опускается вниз, где вновь восстанавливается, создавая циркуляцию цинка в печи, спо­собствуя его накоплению с увеличением вредных отложений.
4. Образование чугуна

Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1535 0С) выше температур, имеющихся в доменной печи; при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в виде твердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяет углерод (науглероживает­ся). Этот процесс получает заметное развитие уже при тем­пературах 400-600 0С и заключается в том, что на поверх­ности губчатого железа, являющегося катализатором, про­исходит распад СО (2СО = С +СО2) и выделяющийся сажис­тый углерод переходит в железо, образуя раствор Ре + С = [С].

По мере науглероживания температура плавления железа понижается (так температура плавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130 ОС), а само оно опускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа стано­вится равной температуре в печи, железо плавится (пример­но при содержании углерода 2-2,5 % и температуре около1200 ОС) и образуются капли жидкого металла, которые сте­кают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно — при контакте ка­пель с раскаленным коксом и при контакте расплава с кок­сом в горне, происходит растворение углерода кокса в ме­талле.

В движущиеся капли металла и отчасти в еще твердое же­лезо в небольших количествах переходят на разных горизон­тах печи другие восстановленные элементы (кремний, марга­нец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк, хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа с углеро­дом и другими элементами (чугун) скапливается в горне.

Таким образом, формирование чугуна из твердого восста­новленного железа заключается в его науглероживании, рас­плавлении и растворении в нем других восстановленных эле­ментов (обычно это марганец, кремний, фосфор и сера).

Окончательное содержание углерода в чугуне устанавли­вается в горне; оно не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава.

Марганец и хром, как карбидообразующие элементы, спо­собствуют повышению содержания углерода в чугуне.

Кремний, фосфор и сера образуют с железом силициды, фосфиды и сульфиды, которые, являясь более прочными со­единениями, чем карбид железа, разрушают его, способствуя тем самым снижению содержания углерода в чугуне. Увеличе­ние температуры чугуна вызывает повышение содержания уг­лерода в нем. Применительно к современной доменной плавке примерное содержание углерода в чугуне (%) можно опреде­лить по следующей формуле:

                     С = 4,8 + 0,03Мо — 0,27Si — 0,32Р — 0,032S.

В передельных чугунах содержание углерода обычно сос­тавляет 4,4-4,8 %, в литейном 3,5-4 %, в ферромарганце- 7 %.  Температура чугуна в горне равна 1400-1500 ОС.
5. Образование шлака и его свойства

Помимо чугуна, в доменной печи образуется шлак, в который переходят не восстановившиеся оксиды элементов, т.е. СаО, MgO, АI2О3, Si02 и небольшое количество МnО и FеО, причем СаО специально добавляют к железорудной шихте для получе­ния жидкого шлака.

Наведение в печи жидкого текучего шлака необходимо прежде всего для выведения из печи составляющих пустой породы железных руд, вносимых агломератом и окатышами, а также золы кокса. Основу пустой породы большинства руд так же, как и основу золы кокса, составляют Si02 и А12О3, температура плавления которых (соответственно 1710 и 2050 0С) выше температур в доменной печи, в связи с чем они в печи расплавиться не могут. Поскольку доменная печь не приспособлена для удаления твердых продуктов плавки, необходимо перевести оксид Si02 и А12О3 в жидкую фазу, что достигается добавкой в шихту агломерации флюса ­известняка, вносящего оксид СаО, который, взаимодействуя с Si02 и А12О3, образует легкоплавкие химические соедине­ния. Последние при температурах доменного процесса расп­лавляются, переводя пустую породу и золу кокса в жидкую фазу — шлак, который периодически выпускают через летки, освобождая печь от непрерывно поступающих сверху невос­станавливаемых оксидов. Другой важной функцией, шлака яв­ляется десульфурация.
5.1. Образование шлака.
Основными стадиями сложного процес­са шлакообразования в доменной печи являются: нагрев и размягчение железосодержащей части шихты, ее плавление, стекание в горн первичного шлака с изменением его соста­ва, присоединение к нему золы кокса, формирование оконча­тельного состава в горне.

При опускании в печи шихтовых материалов сохраняется их слоевое расположение (чередование слоев агломерата и кокса), и материалы остаются твердыми до поступления в участки печи с температурами около 1000.-1100 0С, где на­чинается пластичная зона.

В верхних наружных слоях этой зоны происходит размягчение и переход в плас­тичное состояние железосодержащих материалов со слипанием отдельных кусков в: скопления; в толще зоны, где темпера­тура выше, начинается и протекает плавление, а ниже нее(где температуры составляют около 1200-1250 0С) оксидная фаза и восстановленное железо находятся в расплавленном состоянии и твердым остается лишь кокс. Эта зона пластич­ности или зона первичного шлакообразования может быть разной по форме и толщине и располагаться на разной высо­те в зависимости от распределения шихтовых материалов и газового потока по сечению печи, расхода кокса и теплово­го состояния горна и печи, расхода дутья, состава и проч­ности агломерата и его восстановимости и ряда других фак­торов.

Формирующаяся ниже зоны пластичности жидкая оксидная фаза — расплавленные пустая порода агломерата и окатышей и не восстановившиеся оксиды FeOи МnО — образует первич­ный шлак. По составу он отличается от конечного шлака в горне, в первую очередь более высоким содержанием FеО (до5-15 %) и МnО. Первичный шлак каплями стекает в горн че­рез слой кокса («коксовую осадку»), при этом изменяется его состав. В результате прямого восстановления железа и марганца в шлаке уменьшается содержание FеО и МnО, и он становится более тугоплавким. На горизонте фурм к шлаку присоединяется зола кокса (в основном SiO2и Аl2О3), Придвижении капель (особенно в горне) в шлак переходит сера. В районе горна в результате восстановления кремния не­сколько уменьшается количество SiO2в шлаке.

Конечный шлак на 85-95 % состоит из SiO2, Аl2О3 и СаО и содержит, %: 38-42 SiO2, 38-48 СаО, 6-20 Аl2О3, 2-12 MgO,  0-26 РеО, 1-2 МnО и 0,6-2,5 серы (в основном в виде CaS). Температура шлака несколько выше температуры чугуна и составляет 1400-1560 C.

Состав шлака, его физические свойства, основность и количество оказывают существенное влияние на ход доменной плавки и показатели работы печи.

Поскольку содержание AI2O3 в доменных шлаках не превы­шает 20 %, практический интерес представляет часть диа­граммы, примыкающая к стороне CaO-SiО2 треугольника. Как видно из диаграммы, наиболее высокие температуры плавле­ния у чистых оксидов (СаО и Si02), наиболее приемлемые (низкие) у шлаков, содержащих около 42-65 % СаО.

Однако для выбора состава шлака недостаточно знать эти температуры, так как некоторые из сплавов становятся хо­рошо подвижными при температуре, значительно превышающей температуру плавления. Например, самый легкоплавкий сплав — СаО AI2O3. 2Si02, содержащий примерно 62 % Si02, 14 % Al2O3 и 24 % СаО, температура плавления кото­рого равна 1170 0C, приобретает хорошую текучесть лишь при нагреве до 1600 0C. Поэтому необходимо учитывать дан­ные о вязкости шлаков.

Вязкость— это внутреннее трение, препятствующее течению жидкости; она является величиной, обратной текучести. Единицей вязкости является Па*с (1 Па*с = 1 Н *с/м2 = 1 пуаз),          Т.е.   за      единицу     вяз­кости 1 Па*с принимают вязкость такой жидкости, в кото­рой сила в 1 Н, приложенная к площади жидкости в 1 м2

(т.е. 1 Па), находящейся на расстоянии 1 мот другой та­кой же площади, вызывает перемещение жидкости со ско­ростью 1 м/с. Вязкость существеннопонижается с ростом температуры.

Для нормальной работы доменных печей вязкость шлака должна составлять 0,3-0,6Па*с.

Основность шлаков    продолжение
--PAGE_BREAK--явля­ется их важной технологи­ческой характеристикой. Ее выражают величиной отноше­ния содержания основных ок­сидов в шлаке к содержанию кислотных: CaO/Si02.
6. Дутьё, процессы в горне и движение газов в печи.
6.1. Дутье.
Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обо­гащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100-13000С, давле­ние перед фурмами достигает 0,4-0,5 МПа, расход дутья. На хорошо работающих печах составляет 1,6t-2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минут расхода дутью больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пре­делах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации нахо­дят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняет­ся равный сход шихты и после превышения которого не нару­шается, т.е. начинаются повисания шихты, а также возни­кают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м3 расход дутья достигает 8500 м3/мин. .

Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводам в виде паровой турбины и иногда с электроприводом, создающими давление дутья на выходе 0,45-0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во входной патрубок воздуходувной машины.

Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухо­провод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16-40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140-190 мм, весов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300-500 мм, ско­рость дутьяна выходе из фурмы 180-240 м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м3/мин.
6.2. Процессы в горне.
В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют двапотока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и угле­водородов природного газа или мазута. Получающиеся горно­вые газы поднимаются: вверх навстречу опускающейся шихте.

     Основным и важнейшим процессом в горне является сжигание углерода кокса, которое обеспечивает:

а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;

     б) образование газа-восстановителя СО;

в) образование свободного объема вследствие превраще­ния твердых кусков кокса в газ, что способствует движению шихты в печи сверху вниз.

Окисление углерода кокса происходит в сравнительно не­больших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами. Большая кинетическая энергия струй дутьявызывает циркуляцию кусков кокса пе­ред фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взве­шенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме час­ти такой зоны, углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С02; в периферийной (углекис­лотной) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С02, углерод окисляется, реагируя с С02, образуя при этом СО. Участки исчезновения С02 представ­ляют собой границу окислительной зоны. Таким образом, ко­нечным продуктом окисления углерода является СО, и про­цесс окисления идет по следующей схеме:

                 С + 02 = С02 + 402190 С02 + С = 2СО — 166310

                 2С + 02 = 2СО + 235880 Дж или 9830кДж/кг *С.

Изменение состава газа в окислительной зоне по мере отдаления от фурм

Размеры окислительной зоны как вдоль оси воздушной фурмы, так и вдоль оси печи возрастают с повышением коли­чества воздуха или, точнее, с ростом кинетической энергии струи дутья и сокращаются при увеличении давления дутья, повышении температуры дутья и концентрации кислорода в дутье. На больших печах протяженность окислительной зоны вдоль оси фурм достигает 1,7-1,9 м. Продукт сгорания кокса — горновой газ состоит, в ос­новном, из СО и N2. Его состав можно легко рассчитать.

Если в горении участвует сухой воздух, содержащий 79 % N2(объемн.) и 21 % 02 (т.е. N2: 02 = 3,76), то реакцию можно записать так:

                           2С + 02 + 3,76N2 = 2СО + 3,76N2.

При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С02, достигает 1900-2000 0С, а на границе окислитель­ной зоны снижается до 1650-1600 0С вследствие протекания эндотермических реакций С02 + С = 2СО. За пределами окис­лительной зоны по мере отдаления от нее температура сни­жается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной часть горна температура чаще всего находится в пределах 1400-1500 0С.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги из­меняют температурное состояние горна. Увеличение коли­чества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне поскольку, как отмечалось, при попада­нии в горн Н2О разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения топлива.

Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: HО + С = СО + Н2 — 124870 Дж. По­этому в горновом газе всегда есть немного водорода; на­пример, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объем.) (8,035 г/м2) в горновом газе находится 0,8 % Н2 и соответственно снижается содержание азота и оксида уг­лерода.

При вдувании в горн природного газа он не полностью сгорает по реакции: СН4 + 0,502 = СО + 2Н2 + 37250Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н2 (до 8-15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых га­зов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н2), а при сгорании кокса по реакции С + 0,502 = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрас­тает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и выдувание природного газа.

При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что В соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение ТТ и тем­ператур в горне. Вдувание природного газа ведет  к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответ­ственно, к понижению ТТ и температур в горне; это сниже­ние вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса(117940 Дж).


Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 0С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов

плавки и ухудшается десульфурация чугуна.

Таким образом, добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содержания в них водорода; обогащение дутья кислородом уменьшение объема гopновых газов, повышение их температу­ры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, — увеличение объема горновых газов, снижение их температуры и существенное их обо­гащение водородом. Эти изменения оказывают как положи­тельное, так и отрицательное влияние на доменный процесс.
6.3. Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления.
Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, на­гретый до высокой температуры и характеризующийся значи­тельным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждает­ся, при этом давление его вследствие преодоления сопро­тивления шихты понижается, а химический состав в резуль­тате процессов восстановления непрерывно изменяется и ко­личество его увеличивается. Эти физические изменения при­водят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 ОС, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержа­ния СО и Н2 и повышению содержания СО2. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

Распределение газовпо сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен пе­чи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в шихте выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломе­рата). Участки, где газы движутся с большими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием СО2 в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам за­меров температуры газа и содержания в нем СО2, производимых В колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до:7-12 м от уровня засыпки.

Замеры ведут с помощью вводимых через отверстия в ко­жухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от пе­риферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водо­охлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа; Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи. Перемещение зоны пластичности вверх уменьшает объем печи, в котором идут процессы кос­венного восстановления оксидов железа, что, как правило, вызывает увеличение расхода кокса.

Крайне неблагоприятным случаем распределения газового потока является канальный ход газов (движение газов по отдельным каналам в слое шихты), при котором мелкие куски шихты в каналах переходят во взвешенное состояние, что нарушает ровный сход шихты в печи.

Важным показателем хода доменной плавки является отно­шение СО2/СО в газовой фазе; увеличение этого отношения(увеличение содержания СО2) свидетельствует об улучшении

восстановительной работы газа (увеличении степени косвен­ного восстановления оксидов железа).

Изменение количества газа. По мере подъема газов вверх печи увеличивается их количество, главным образом, вслед­ствие присоединения к ним кислорода шихты в виде СО и СО2, Т.е. в результате протекания процессов восстановле­ния. По отношению к количеству дутья количество горнового газа возрастает на 21-23 %, а количество колошникового газа — на 38-40 %. При обогащении дутья кислородом расход дутья и количество газа будут уменьшаться вследствие сни­жения содержания азота. Выход колошникового газа равен 120-200 м3 на 1 м3 объема печи в час или 1400-2000 м3/чугуна.

Изменение давления газа. Наибольшее статическое давле­ние газа устанавливается в горне доменной печи около фурм, и движение газов вверх через слой шихтовых материа­лов происходит вследствие этого давления, создаваемого работой подающей дутье воздуходувной машины. По мере дви­жения газов от горна к колошнику статическое давление га­за убывает, так как происходит потеря давления (потеря напора) вследствие трения газов о куски шихты; иначе говоря, давление теряется на преодоление сопротивления слоя шихтовых материалов. Эта потеря давления или напора происходит неравномерно по высоте печи, что наиболее заметно в области пластичной зоны, где в результате размягчения слипания и плавления газопроницаемость рудной части шихты резко снижается.

Величина потери давления в столбе шихты, иначе говоря, перепад давления между горном и колошником зависит от свойств шихты (газопроницаемости), высоты столба ших­ты, определяемой высотой печи, от скорости движения газов в печи. Влияние ско­рости движения газов проявляется в том, что при ее росте увеличиваются силы трения газов о шихту и возрастает ве­личина потери давления.

Величина, которую контролируют, не должна превышать допустимого предела, называемого критическим перепадом давления. Этот предел на конкретной работающей пе­чи, где высота слояшихты и ее свойства (сопротивление) относительно постоянны, зависит от расхода дутья, который всегда стараются увеличить с целью повышения производите­льности печи. Увеличение расхода дутья ведет к росту ско­рости движения газов в печи, и при достижении определен­ной скорости силы трения возрастают настолько, что куски шихты переходят во взвешенное состояние, Т.е. перестают двигаться вниз, что нарушает ровный сход шихты и означает расстройство работы печи. Этим максимально допустимым значениям расхода дутья и скорости движения газов соот­ветствует допустимый (критический) перепад давления.

Соответственно, расход дутья поддерживают таким, чтобы перепад давления не превышал критического значения. Использование давления, а не скорости в качестве критерия оценки движения газов объясняется тем, что скорость подъема газов сильно различается в разных участках попе­речного сечения печи, поэтому проще измерять давление.

     Для улучшения контроля за ходом плавки измеряют не только общий перепад дав­ления между горном и колошником, но и верхний перепад (середина шахты ­колошник) и нижний (сере­дина шахты — горн).
7.       Интенсификация доменного процесса.
Под интенсификацией доменного процесса обычно понимают мероприятия по увеличению скорости его протекания (форси­рованию хода доменной плавки), Т.е. ведущие к повышению производительности печи, а также мероприятия по снижению расхода кокса. Ниже охарактеризованы наиболее существен­ные из них.
7.1. Нагрев дутья.
Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное сниже­ние расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 0С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отде­ление шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 0С. Еще в 40-х годах нашего столетия на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных преде­лов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало  нару­шение процесса доменной плавки. Всем ясно было, что более высокий нагрев дутья обеспечивает дальнейшее размельчение расхода кокса. Но даже подъем температуры дутья на не­большую величину (около 20 0С) к расстройству доменного процесса. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие ус­ловия для повышения нагрева дутья, к числу которых отно­сятся:

замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окус­кованными, т.е. агломератом и окатышами; применение повышенного давления газов в печи; вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов; кондиционирование дутья по влаге.

Внедрение этих мероприятий создало условия, при которых подъем температуры дутья перестал сдерживаться технологи­ческими особенностями процесса, а определялся технически­ми возможностями достижения высокой температуры дутья.

Это потребовало совершенствования конструкций и обору­дования воздухонагревателей, которые уже не обеспечивали необходимого нагрева дутья. В настоящее время нагрев дутья на многих печах доведен до 1100-1300 0С и решается задача дальнейшего подъема температуры дутья до1350-1400 0С. В частности, внедряют воздухонагреватели с выносной камерой горения, отличающиеся от широко исполь­зуемых воздухонагревателей, имеющих встроенную камеру го­рения, большей поверхностью нагрева и более мощными горелками, рассчитанными на нагрев дутья до 1300-1400 0С.

Анализ работы доменных печей при разном нагреве дутья показывает, что его нагрев всегда приводит к снижению расхода кокса. Однако экономия расхода кокса не пропорци­онально повышению температуры дутья, т.е. не одинакова при повышении нагрева дутья на од­но и то же число градусов, по­нижаясь с повышением нагрева дутья. Например, при темпера­туре дутья 400 0С повышение его нагрева на 100 0С дает снижение расхода кокса на 11-16 %, а при температуре ду­тья 800 0С — на 3,5-6,0 %. Однако даже при высоком нагре­ве дутья (1200-1300 0С) эффективность от нагрева сохраня­ется значимой и обеспечивает сокращение расхода кокса на1,5-2,5% на каждые 1000С повышения температуры.

Особо важно увеличивать нагрев дутья при вдувании в горн печи углеводородов (природного газа и мазута), вызы­вающих понижение температур в горне.
7.2. Увлажнение дутья.
Дутье (воздух) всегда содержит некоторое количество вла­ги, причем естественная влажность воздуха в разные перио­ды времени колеблется в широких пределах от 3 до 40 г на1 м3 воздуха (8 г/м3 соответствует 1 % по объему). Попа­дающая в горн влага разлагается углеродом: Н2О + С = СО + + Н2 — 124870 Дж. При этом в горновом газе возрастает со­держание СО и активного восстановителя Н2О в связи с затратами тепла на разложение влаги снижается температура горна. Чтобы сохранить прежний температурный режим горна, надо повысить нагрев дутья на 5-6 0С на каждый грамм влаги в 1 м3 дутья.

Колебания влажности дутья вызывают колебания в темпе­ратурном режиме горна и в ходе восстановления, что неред­ко приводит к расстройствам хода печи. Для устранения колебаний естественной влажности ранее за рубежом в небольшом масштабе применяли осушение дутья до содержания влаги 3-3,5 г/м3, а в нашей стране многие годы применяли увлажнение дутья до 25-30 г/мЗ (3-4 % к объему дутья). При таком кондиционировании дутья по влаге достигается более ровный ход печи; кроме того, вследствие ровного хода, а также в результате интенсификации косвенного вос­становления оксидов железа водородом обеспечивается повы­шение производительности печи (на 5-10 %) и снижение рас­хода кокса (на 2-5 %).

По мере перехода к работе печей с вдуванием природного газа, обогащающего атмосферу печи водородом, столь значи­тельное увлажнение дутья утратило свое значение. В настоящее время считают полезным поддерживать содержание влаги на постоянном уровне порядка 10-20 г/м3 за счет добавок к дутью водяного пара.
7.3. Повышенное давление газа.

До 1950 г. отечественные доменные печи работали без повы­шенного давления газов, Т.е. с давлением газа на колош­нике не значительно (на 0,006-0,012 МПа) превышавшем ат­мосферное давление (0,1 МПа). Это небольшое превышение давления обеспечивало самопроизвольный выход газов из печ­и. В настоящее время практически все печи работают с избыточным (сверх атмосферного) давлением на колошнике, равным 0,1-0,23 МПа или с абсолютным давлением 0,2-0,33 МПа (давление в горне выше давления на колошнике).

О целесообразности повышения давления газов в доменной печи впервые высказался инж. П.М.Есманский еще в 1915 г. Он считал, что увеличение давления газа в печи должно способствовать развитию процессов восстановления, так как при этом реакция СО2 +С = 2СО сдвигается в сторону уве­личения содержания СО2, т.е. в сторону косвенного восста­новления.

Однако более важным оказалось то, что повышенное дав­ление позволило увеличить расход дутья и благодаря этому повысить производительность печей.

Работа доменных печей с повышенным давлением газов бы­ла освоена на Магнитогорском металлургическом комбинате в 1950 г., после чего печи всех заводов были переведены на такой режим. Повышение давления газов достигается уста­новкой на газопроводе очищенного доменного газа специального дроссельного устройства, уменьшающего сечение газо­отвода. Такое уменьшение сечения вызывает рост давления на всем пути движения газа до дроссельного устройства и в том числе на колошнике и в объеме всей печи.

Дроссельное устройство располагают после газоочистки (устройств, очищающих газ от пыли); чтобы предотвратить его быстрый абразивный износ частицами пыли газа.

Чем вызвано повышение производительности печи при по­вышении давления газов? Поясняя это, следует напомнить, что доменные печи обычно работают с расходом дутья, близ­ким к предельно допустимому. При его превышении вследст­вие роста скорости. движения газов в печи и их трения  шихты переходят во взвешенное состояние, нарушая ровный сход шихты, а показателем режима движения газов — перепад давления между горном и колошником (потеря давления на трение) становится больше критического.

Если увеличить давление в печи, то в силу известного соотношения между давлением и объемом газа РV = const объем газа уменьшается. Поэтому снижается скорость движе­ния газов В печи и, соответственно, уменьшаются силы тре­ния их о шихту, величина потери давления на трение. Иначе говоря, режим движения газов отдаляется от кри­тического. Это позволяет при новом, большем давлении в печи увеличить расход дутья без нарушения при этом ровно­го схода шихты (расход можно увеличивать до тех пор, пока перепад давления не приблизится к прежнему ypoвню ­несколько ниже критического). При увеличении расхода ду­тья в единицу времени сгорает больше кокса и проплавляет­ся больше шихты, т.е. повышается производительность печи.

Таким образом, повышение давления газа в печи позво­ляет форсировать доменный процесс. Кроме того, вследствие увеличения времени пребывания газа в печи и улучшения распределения его сокращается расход кокса, а уменьшение скорости газа на колошнике приводит к снижению выноса пы­ли. Это позволило увеличить производительность печей на 5-15 %, снизить расход кокса на 3-5 % и сократить вынос пыли на 20-50 %, более 24-26 %, а в сочетании с вдуванием углеводородов­ до 30-35 %. Такое ограничение содержания кислорода в обо­гащенном дутье объясняется тем, что его применение сопро­вождается как положительными, так и отрицательными по­следствиями для доменного процесса.

 Вдувание в горн углеродсодержащих веществ с целью снижения расхода дорогого и дефицитного кокса в последние годы на всех печах в горн вдувают газообразные или жидкие углеводороды и иногда измельченный уголь. Их подают через фурмы в зоны горения кокса. Наиболее широко применяется природный газ.

Вдувание природного газа    продолжение
--PAGE_BREAK--