2.2 Описание технологического процесса
Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.
В химическом отношении процесс является восстановительно-окислительным; из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.
Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.
Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000–12000С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.
Кокс поступает в горн нагретым до 1400–15000С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800–20000С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200–4500С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14–20%.
Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями – подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5–8 минут по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.
В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe2O3 → Fe3O4 → FeO→ Fe.
Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 11000С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 11500С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.
При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.
Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак). Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.
Расчет доменной шихты производиться при проектировании доменных печей, изменении условия плавки, замене одних материалов другими, при переводе печи на выплавку другого вида чугуна.
Расчёт шихты сводиться к определению расхода отдельных материалов для выплавки единицы чугуна заданного состава, определённого состава шлака, обеспечивающего свойства, необходимые для выплавки данной марки чугуна и ровной высокопроизводительной работы печи. Расчет обычно выполняется на единицу выплавляемого чугуна. При необходимости ввода в шихту нескольких сортов руд или их заменителей соотношение между ними должно устанавливаться из условия обеспечения требуемого среднего содержания железа или др. элементов в смеси или в соответствии с планом их на завод.
В соответствии с содержанием отдельных элементов в чугуне и распределением между чугуном, шлаком и газом определяется расход материалов (железная руда, агломерат, окатыши, марганцевая руда), содержащих эти элементы, на единицу чугуна (без учета влаги и выноса). Затем выбирается (задается) основность шлака для обеспечения необходимых свойств, в том числе и его обессеривающие способности и определяется расход флюса на единицу чугуна.
После определения количества всех шлакообразующих рассчитывается выход шлака и содержание в нем отдельных составляющих.
Приняв величину коксовой подачи, определяют расход в подачу отдельных составляющих шихты, причем расходы каждого из них берутся с учетом выноса влаги. Для перехода от расчета на единицу чугуна к расчету в подачу полученные величины расходов материалов необходимо увеличить, на отношение принятой величины коксовой подачи к удельному расхода кокса.
Расчет количества дутья может быть основан на балансе азота, кислорода и углерода или кислорода и азота. Взятый за основу расчет количества дутья по балансу кислорода и углерода базируется на том, что часть углерода кокса и углесодержащих добавок, подаваемых в печь газифицируются при прямом восстановлении кремния, марганца, фосфора и железа, при десульфурации чугуна, а также переходит в чугун и расходуется на образование метана. Остальная часть углерода окисляется кислородом дутья до СО. Отсюда определяется необходимое количество кислорода, а при известном содержании его в дутье – количество последнего.
Расчет количества и состава колошникового газа основан на балансе элементов, входящих в состав образующих его компонентов. Водород, поступающий в доменную печь, переходит в газ в виде паров воды при восстановительных процессах, в виде метана, а остальное его количество переходит р. колошниковый газ вне соединений с другими элементами. Количество диоксида углерода в колошниковом газе определяется по его содержанию в шихтовых материалах, продуктах их разложения, а также образованию в реакциях восстановления оксидов. Содержание оксида углерода в колошниковом газе определяется исходя из количества его образования при горении углерода в горне печи, вносимого с шихтовыми материалами, в реакциях прямого восстановления с учетом расхода на реакции косвенного восстановления.
Материальный баланс доменной плавки для работающей доменной печи составляется по результатам измерений и анализов, для чего по возможности точно учитывается за определенный отрезок времени (обычно за несколько суток) расход всех материалов, загружаемых в печь, и полученных продуктов плавки, на основе которого определяется расход каждого материала и выход шлака, колошникового газа и пыли на единицу чугуна.
При расчете материального баланса для проектируемых условий оказывается достаточно данных, полученных расчетами шихты, колошникового газа и дутья.
Баланс должен сходиться с весьма малой (до 1%) невязкой. Увеличение ее является результатом неправильного анализа сырых материалов (сумма содержания компонентов не составляет 100%) или ошибок в расчетах.
Тепловой баланс характеризует экономичность работы доменной печи и учитывает соотношение количества тепла, образующегося в доменной печи в результате протекания тех или иных процессов, вносимого в доменную печь с шихтовыми материалами и дутьем с количеством тепла, расходуемого на эндотермические процессы, уносимого с продуктами плавки и теряющегося в окружающую среду и с охлаждающей водой. Но данным теплового баланса вычисляется одна из важнейших характеристик работы доменной печи тепловой коэффициент полезного действия, равный отношению используемого тепла к выделившемуся. При этом за неиспользуемое в доменной печи тепло принимают его потери с колошниковым газом, пылью, охлаждающей водой и во внешнее пространство. Обычно значение теплового коэффициента полезного действия при выплавке передельного чугуна составляет 78–87%.