Підготовка руд до доменної плавки
Продуктивність доменної печі, витрата коксу і якість отримуваного чавуну залежать від складу початкових матеріалів для плавки – залізняку, коксу і флюсів. При збільшенні вмісту заліза в руді, застосуванні коксу визначеної і рівномірною кусковатості підвищується продуктивність доменної печі, знижується витрата коксу. Встановлено, що в шихтових матеріалах для доменної плавки оптимальний вміст заліза має бути 60 – 61 %. Проте вміст заліза в рудах, що добуваються, значно нижчий; крім того, багато хто з них містить шкідливі домішки, погіршуючі якість чавуну і сталі, наприклад сірку, фосфор. Тому перед плавкою залізняк піддає спеціальній підготовці, мета якої полягає в збільшенні змісту заліза в шихті, підвищенні її однорідності по кусковатости і хімічному складу. Основні методи підготовки руди до плавки наступні: дроблення і сортування по розміру; збагачення; кускування. Метод підготовки руди, що добувається, залежить від її якості.
Дробленняісортуванняруд по розміру потрібні для отримання шматків руди певної величини, оптимальної для плавки. Шматки руди дроблять і сортують по великості на спеціальних агрегатах – дробарках і класифікаторах.
Рудизбагачують для підвищення вмісту заліза в шихті. В результаті збагачення руду підрозділяють на концентрат з високим (більше 60 %) вмістом заліза і хвости - відходи з невеликим вмістом металу. Способи збагачення руд засновані на використанні відмінності фізичних властивостей мінералів, що входять до складу руди, щільності її складові, магнітній сприйнятливості, фізико - хімічних властивостей поверхонь мінералів.
Промиванняруди водою дозволяє відокремити щільні складові рудних мінералів від порожньої рихлої породи (піску, глини).
Гравітація (відсадження) заснована на відділенні руди від легкої порожньої породи при пропусканні струменя води через дно вібруючого сита, на якому лежить руда. При цьому легкі зерна порожньої породи витісняються у верхній шар і відносяться водою, а важкі, такі, що містять рудні мінерали, опускаються вниз. Застосовують також гравітаційне збагачення у важких середовищах: руду занурюють в рідину, щільність якої вище щільності порожньої породи. Рудний мінерал осідає на дно, а порожня порода спливає і віддаляється.
Магнітнасепарація заснована на відмінності магнітних властивостей залізовмісних мінералів і часток порожньої породи. Подрібнену руду піддають дії магніта, що притягує залізовмісні мінерали, відділяючи їх від порожньої породи. Цим способом збагачують магнетитові руди. Для збагачення бурих залізняків їх піддають магнетизуючому випаленню при 600 – 800 ºС в печах із слабовідновлювальною атмосферою. В результаті слабомагнитний окисел заліза Fе2О3 переходить в магнітний закис – окисел Fе3О4. Після такого випалення руду направляють на магнітну сепарацію.
Кускування виробляють для переробки концентратів, отриманих після збагачення, в кускові матеріали необхідних розмірів. Використовують два способи кускування : агломерацію і обдавання.
Агломерація полягає в спіканні шихти, що складається із залізняку дрібних фракцій (40...50 %), вапняку (15...20 %), повернення дрібного агломерату (20…30 %), коксової дрібниці (4…6 %), волога (6...9 %) на спеціальній машині для поліпшення їх металургійних властивостей. Ці матеріали змішуються з подрібненим твердим паливом (коксом, вугіллям), зволожуються і подаються в агломераційну машину. Спікання виконують на агломераційних машинах при 1300…1500 ºС. У процесі спікання з руди видаляються шкідливі домішки (сірка, частково миш'як), карбонати розкладаються і виходить кусковий пористий офлюсований матеріал – агломерат.
Агломераційна машина стрічкового типу складається з великого числа візків з отворами в днищі, що рухаються по направляючих рейках (рис. 1.2). У завантаженій паллеті після запалення газовими пальниками починається горіння палива, причому фронт горіння поширюється зверху вниз. Повітря просмоктується крізь шихту завдяки дії спеціальних вакуумних пристроїв, званих ексгаустерами. Температура в шарі шихти досягає 1300...1600 ºС.
Рис. 1.2 – Схема агломераційної машини:
1 — паллети; 2 — шихтовий бункер; 3 — горілка;
4 — вакуум-камери (ексгаустери); 5 — агломерат
У результаті відновлення оксидів заліза у присутності кремнезему утворюється фаяліт Fе2SiO4 по реакції:
2Fе3О4 + 3SiО2 + 2СО = 3Fе2SiO4 + 2СO2.
У зоні горіння фаяліт, що має температуру плавлення 1209 ºС, плавиться і змочує зерна шихти, завдяки чому при охолодженні утворюється тверда пориста маса — агломерат. Агломерат має високу пористість (до 50 %) і хорошу відновлюваність. Крім того, в процесі спікання майже повністю випалюється сірка, яка віддаляється у вигляді сірчистого газу. У металургії зазвичай використовують офлюсований агломерат, для чого в шихту додатково вводять вапняк.
Обдавання застосовують для обробки тонко подрібнених концентратів. Шихта, що складається з подрібнених концентратів, флюсу, палива, зволожується і при обробці в барабанах, що обертаються, тарілчастих чашах (грануляторах) набуває форми кульок-окатишів діаметром до 30 мм. Окатиші висушують і обпалюють при 1200...1350 ºС на спеціальних машинах (рис. 1.3).
Рис. 1.3 – Схема утворення окатишів у грануляторі:
1 –чаша; 2 – скребки; 3 – механизм зміни кута наклона чаші
Після випалення окатиші набувають високу міцність при достатній пористості. Використання агломерату і окатишів виключає окрему подачу флюсу – вапняку в доменну піч при плавці, оскільки флюс у необхідній кількості входить до їх складу. Це покращує роботу доменної печі, підвищує її продуктивність, знижує витрату коксу. Шихта складається з тонкоподрібненого концентрату (менше 0,5 мм), з вапняку (флюсу) і повернення (відбракованих окатишів). Для кращого обдавання шихту зволожують (8…10 %) і до її складу додають єднальне – бентонітову глину (до 1,5 %). Утворення окатишів діаметром 25…30 мм відбувається в грануляторі – що обертається із швидкістю 6...9 об/хв неглибокій чаші. Далі окатиші піддають сушці при температурі 200…400 ºС, а потім випаленню при 1300…1400 ºС, після чого вони придбавають високу міцність.
Виплавка чавуну
Чавун виплавляють у вертикальних печах шахтного типу – доменних печах. Суть процесу отримання чавуну в доменних печах полягає у відновленні оксидів заліза, що входять до складу руди, яку завантажують в піч, окислом вуглецю, воднем і твердим вуглецем, що виділяються при згоранні палива в печі.
Пристрій і робота доменної печі. Корисна висота доменної печі досягає до 80 м, або приблизно в 2,5…3 рази більше діаметру. Робочий простір печі включає колошник 6, шахту 5, розпарення 4, заплечики 3, горн 1, лещадь 15. У верхній частині колошника знаходиться засипний апарат 8, через який в піч завантажують шихту (офлюсований агломерат і окатиші).
Стінки печі викладають з вогнетривких матеріалів — в основному з шамота. Нижню частину горна і його основу (лещадь) виконують з особливо вогнетривких матеріалів — вуглецевих (графитизированных) блоків. Для підвищення стійкості вогнетривкої кладки в ній встановлюють (приблизно на 3Д висоти печі) металеві холодильники, по яких циркулює вода. Для зменшення витрати води (для великих печей витрата води до 70000 м3 в добу) застосовують випарне охолодження, засноване на тому, що тепло, що поглинається, використовується для пароутворення.
Кладка печі зовні поміщена в сталевий кожух завтовшки до 40 мм. Для зменшення навантаження на нижню частину печі її верхню частину (шахту) споруджують на сталевому кільці, що спирається на колони. Доменна піч (рис. 1.4) має сталевий кожух, викладений зсередини вогнетривкою шамотною цеглиною.
Схема роботи доменного цеху сучасного металургійного заводу приведена на рис. 1.5.
Шихтові матеріали поступають в бункери, розташовані на рудному дворі: офлюсований агломерат – з агломераційної фабрики, а кокс – від коксових батарей коксохімічного заводу. З бункерів шихтові матеріали подаються у вагон-ваги 1, на яких зважують певні порції шихти. З вагона-вагів кокс і агломерат передаються у вагонетку 3 скипового підйомники. Скиповой підйомник є похилим рейковим мостом, по якому рухаються дві вагонетки. Скип піднімається сталевим канатом до верхньої точки рейкового моста і перевертається. Через завантажувальний пристрій (засипний апарат) 4 шихта потрапляє в доменну піч (рис. 1.5). Печі складаються з колошника 5, шахти 6, розпарення 7, заплечиків 8 і горна 9.
Дві скипові вагонетки за допомогою лебідки пересуваються по похилому мосту 12 (рис. 1.4) до засипного апарату 8 і, перевертаючись, висипають шихту в приймальну воронку 7 розподільника шихти. При опусканні малого конуса 10 засипного апарату шихта потрапляє в чашу 11, а при опусканні великого конуса 13 – в доменну піч. Така послідовність роботи механізмів засипного апарату потрібна для запобігання виходу газів з доменної печі в атмосферу.
Рис. 1.4 – Схема пристрою доменної печі і нагрівача повітря
Для рівномірного розподілу шихти в доменній печі малий конус і приймальна воронка після завантаження чергової порції матеріалів обертаються на кут, кратний 60. Усіх механізмів засипного апарату і скипового підйомника. Агломерат, руду, флюс і кокс, що поступають в піч в певному співвідношенні, називають шихтою.
Доменні печі, як і усі шахтні печі, працюють за принципом протитечії. Згори сходять шихтові матеріали, а знизу їм назустріч рухаються гази, що утворюються в процесі горіння палива.
Рис. 1.5 – Схема роботи доменного цеху
У процесі роботи печі шихтові матеріали поступово опускаються вниз, а через завантажувальний пристрій в піч подаються нові порції шихтових матеріалів в такій кількості, щоб увесь корисний об'єм печі був заповнений.
Корисний об'єм печі – це об'єм, займаний шихтою від лещади до нижньої кромки великого конуса засипного апарату при його опусканні. Сучасні доменні печі мають корисний об'єм 2000…5000 м3. Корисна висота доменної печі досягає 35 м. У верхній частині горна знаходяться фурмені пристрої 14 через які в піч поступають нагріте повітря, необхідне для горіння коксу, і газоподібне паливо, в деяких випадках рідке або пилоподібне паливо. Попередній нагрів повітря потрібний для зменшення втрат теплоти в печі. Повітря поступає в доменну піч з воздухонагревателей. Для нагріву повітря застосовують нагрівачі повітря регенеративного типу. Усередині нагрівача (рис. 1.4, справа) є камера згорання 2 і насадка 4, що займає основний об'єм нагрівача повітря. Насадка викладена з вогнетривкої цегли 3 так, що між ними утворюються вертикальні канали. У нижню частину камери згорання до пальника 1 подається очищений від пилу колошниковий газ, який згорає і утворює гарячі гази. Гарячі гази, проходячи через насадку, нагрівають її і видаляються з нагрівача повітря через димар. Потім подача газу до пальника припиняється, і по трубопроводу через насадку пропускається холодне повітря, що подається турбовоз – духодувною машиною. Доменна піч має декілька нагрівачаів повітря: тоді як в одних насадка нагрівається гарячими газами, в інших вона віддає теплоту холодному повітрю, нагріваючи його. Після охолодження нагрітої насадки повітрям нагрівачі перемикаються. Повітря, проходячи через насадку нагрівача повітря, нагрівається до 1000…1200 ºС і поступає до фурменого пристрою 14 доменної печі, а звідти в її робочий простір.
Горіння палива. Зблизька фурм 2 (див. рис. 1.4) вуглець коксу, взаємодіючи з киснем повітря, згорає:
С + О2 = СО2 + 393,51 кДж.
При високих температурах і у присутності твердого вуглецю коксу двоокис вуглецю нестійкий і частково переходить і окисел вуглецю;
СО2 + С = 2СО - 171,88 кДж.
Одночасно, на деякій відстані від фурм, йде реакція неповного горіння вуглецю коксу :
С - 1/2О2 = С+ 110,5 кДж.
У результаті горіння коксу в доменній печі виділяється теплота і утворюється газовий потік, що містить С, СО2 і інші гази. При цьому в печі трохи вище за рівень фурм температура стає більше 2000 ºС. Гарячі гази, піднімаючись вгору, віддають свою теплоту шихтовим матеріалам і нагрівають їх, охолоджуючись до 400...300 ºС у колошника. У зоні печі, де температура газон досягає 700...450 ºС, частина окислу вуглецю розкладається з утворенням вуглецю сажі, що осідає на шихтових матеріалах:
2С = СО2 + С↓
Інша частина газу, що складається в основному із С, СО2, N2, Н2, СН4 (колошниковий газ) відводиться з печі по трубах і після очищення використовується як паливо для нагрівачів повітря.
Шихтові матеріали (агломерат, кокс) опускаються назустріч потоку газів і нагріваються. У результаті в них відбувається цілий ряд хімічних перетворень: віддаляється волога, з палива виділяються леткі речовини, а при прогріванні шихти до температури ~ 570 ºС починається основний процес – відновлення оксидів заліза, що містяться в агломераті.
Відновлення оксидів заліза в доменній печі. Цей процес протікає в результаті взаємодії оксидів заліза з окислом вуглецю і твердим вуглецем коксу, а також воднем. Відновлення твердим вуглецем називають прямим, а газами – непрямим.
При температурах до 570 ºС відновлення окислу заліза протікає по реакціях:
3Fe2О3 + С = 2 Fe3О4 + СО2;
Fе3О4 + 4СО = 3Fе + 4СО2.
При вищих температурах (750…900 ºС) оксиди заліза відновлюються найінтенсивніше:
3Fе2О3 + С = 2Fе3О4 + СО2;
Fе3О4 + С = 3FеО + СО2;
FeО+С = Fе + СО2.
При цих температурах з руди, що знаходиться в нижній зоні шахти доменної печі, утворюється тверде губчасте залізо. Деяка частина закису заліза опускається до рівня розпарення і заплечиків, де відновлюється твердим вуглецем коксу в результаті двох одночасно протікаючих реакцій:
СО2 + С = 2СО;
FеО + С = Fе + СО3
FеО + C = Fe + CO
У реакціях відновлення заліза беруть участь також вуглець сажі і водень, особливо при введенні в доменну піч природного газу.
У міру опускання шихта досягає зони в печі, де температура складає 1000... 1100 ºС. При цих температурах відновлене з руди тверде залізо, взаємодіючи з окислом вуглецю, коксом і вуглецем сажі, інтенсивно збагачується вуглецем завдяки здатності заліза в твердому стані розчиняти вуглець:
3Fе + 2СО = Fе3С + СО2;
3Fe + С = Fе3С.
При насиченні вуглецем температура плавлення заліза знижується і на рівні розпарення і заплечиків воно розплавляється. Краплі залізовуглецевого сплаву, протікаючи по шматках коксу, додатково насичуються вуглецем (до 4 % і більше), марганцем, кремнієм, фосфором, які відновлюються з руди, а також сіркою, що міститься в коксі. Ці процеси протікають таким чином.
Марганець міститься в руді у вигляді МnО2, Мn2О3, Мn3О4. Ці з'єднання легко відновлюються до МnО. При температурі більше 1000 ºС частина МnО відновлюється твердим вуглецем по реакціях
МnО+С = Мn + СО2;
СО2 + С=2СО
МnО + С = Мn + С
Одночасно марганець взаємодіє з твердим вуглецем і утворює карбід Мn3С, підвищуючи вміст вуглецю в сплаві. Інша частина МnО входить до складу шлаку.
Кремній, що міститься в порожній породі руди у вигляді SiO2, температурі вище 1100 ºС також частково відновлюється твердим вуглецем:
SiO2 + С = SiO + С;
SiO + С = Si + С
SiO2 + 2С = Si + 2СО
Кремній, що утворився, розчиняється в залізі. Інша частина SiO2 також входить до складу шлаку.
Фосфор міститься в руді у вигляді з'єднань (FеО) 3Р2О5 і (Сао) 3Р2О5. Частково фосфат заліза відновлюється окислом вуглецю :
2Fе3 (РО4) 2 + 16СО = 2Fе3Р + 2Р + 16СО2.
При температурах більше 1000 ºС відновлення йде за рахунок твердого вуглецю:
2Fе3(РО4) 2 + 16С = 3Fе 3Р + 2Р + 16СО.
При температурах вище 1300 ºС фосфор відновлюється з фосфату кальцію:
(Сао) 3Р2О5 + 5С = 3СаО + 2Р + 5СО.
Фосфід заліза (Fе 3Р), що утворився, і фосфор повністю розчиняються в залізі і входять до складу чавуну.
Сірка присутня в коксі і руді у вигляді органічної сірки і з'єднань FeS2, FеS, СаSО4. Сірка летуча і тому частина її віддаляється з газом при нагріві шихти в печі. Сірка з коксу окислюється у фурм киснем дуття до SО2 і, піднімаючись з газами, відновлюється твердим вуглецем:
SО2+2С = S + 2СО.
При цьому частина сірки у вигляді 8 і Ге8 розчиняється в чавуні. Сірка є шкідливою домішкою і погіршує якість чавуну. Для видалення сірки прагнуть підвищити зміст Сао в шлаку. При цьому частина сірки у вигляді Са8 віддаляється в шлак по реакціях
FеS + СаО=СаS + FеО
FеО + С = Fе + С.
Таким чином, в результаті процесів відновлення оксидів заліза, частини оксидів марганцю і кремнію, фосфатів і сірчистих з'єднань, розчинення в залозі С, Мn, Si, Р, S в печі утворюється чавун. У нижній частині печі утворюється шлак в результаті сплаву оксидів порожньої породи руди, флюсів і золи палива. В умовах доменного процесу оксиди Аl2О3, СаО, МgО, що містяться в порожній породі руди, повністю переходять в шлак. У шлаку міститься також частина оксидів SiO2, що не відновилися, МnО, FеО і СаS. Шлак утворюється поступово, його склад змінюється у міру набрякання в гори; де він скупчується на поверхні рідкого чавуну завдяки меншій щільності. Склад шлаку залежить від складу шихтовых матеріалів, що застосовуються, і чавуну, що виплавляється.
У міру скупчення чавуну і шлаку їх випускають з печі. Чавун випускають через 3... 4 год, а шлак через 1,0... 1,5 год. Чавун випускають через чавунну льотку 16 (див. рис. 1.4, отвір в кладці, розташований вище за лещаді), а шлак – через шлакову льотку 17. Чавунну льотку відкривають бурильною машиною, а після випуску чавуну закривають вогнетривкою масою. Чавун і шлак зливають по жолобах, прокладених по ливарному двору, в чугуновозные ковши і шлаковозные чаші, встановлені на залізничних платформах. Місткість чугуновозных ковшів 90...140 т. В них чавун транспортують в киснево-конвертерні або мартенівські цехи для переділу в сталь. Чавун, не використовуваний в рідкому виді, поступає на розливні машини. З ковша чавун через передавальний жолоб заповнює металеві форми-виливниці розливної машини і твердне в них у вигляді чушок-зливків масою 45 кг
Часто рідкий шлак з доменної печі не зливають в шлаковозные чаші, а для зручності подальшого використання піддають мокрій грануляції: на нього направляють струмінь води, соди дією якої він розсипається на дрібні гранули.
Продукти доменної плавки. У доменних печах отримують два рідкі продукти – чавун і шлак, а також колошниковий газ.
Чавун – основний продукт доменної плавки. У доменних печах отримують чавун різного хімічного складу залежно від його призначення.
Передільнийчавун виплавляють для переділу його в сталь в конвертерах або мартенівських печах. Він містить 4,0...4,4 % С; до 0,6…0,8 % Si; до 0,25...1,0 % Мn; 0,15...0,3 % Р і 0,03... 0,07 % S. Передільний чавун деяких марок, призначений для переділу в сталь в конвертерах, має понижений вміст фосфору (до 0,07 %).
Ливарний чавун використовують для переплавки його на машинобудівних заводах при виробництві фасонних відливань. Він містить підвищену кількість кремнію (до 2,75...3,25 %). Окрім чавуну, в доменній печі виплавляють феросплави.
Доменні феросплави – сплави заліза з кремнієм, марганцем і іншими металами. Їх застосовують для розкислювання і легування сталі. До них відносяться: доменний феросиліцій з 9.13 % Si і до 3 % Мn; доменний феромарганець з 70...75 % Мn і до 2 % Si; дзеркальний чавун з 10...25 % Мn і до 2 % Si.
Побічнимипродуктами доменної плавки є шлак і колошниковий газ, також використовувані у виробництві. З шлаку виробляють шлаковату, шлакоблоки, цемент, а колошниковий газ після очищення від пилу використовують як паливо для нагріву повітря, що вдувається в доменну піч, а також в цехах металургійних заводів.
Найважливіші техніко-економічні показники. Такими показниками роботи доменних печей є коефіцієнт використання корисного об'єму доменної печі (КВКО) і питома витрата коксу. Коефіцієнт використання корисного об'єму печі (КВКО в м3/т) визначається як відношення корисного об'єму печі V (у м3) до її середньодобової продуктивності Р і тоннах виплавленого передільного чавуну.
КВКО = V/P
Чим вище продуктивність доменної печі, тим нижче КВКО, який для більшості доменних печей в нашій країні складає 0,5...0,7.
Питома витрата коксу K – відношення витрати А коксу за добу до кількості Р в тоннах передільного чавуну, виплавленого за той же час, :