Производство чугуна в доменной печи – Производство чугуна в доменной печи — Мегаобучалка

Производство чугуна в доменной печи — Мегаобучалка

Исходные материалы.

Производство чугуна в доменной печи.

Производство стали.

 

Новые методы производства и обработки стали.

 

Железо имело промышленное применение уже до нашей эры. В древние времена его получали в пластичном состоянии в горнах. Шлак отделяли, выдавливая его из губчатого железа, ударами молота.

По мере развития техники производства железа постепенно повышалась температура, при которой велся процесс. Металл и шлак стали плавиться; стало возможным разделять их гораздо полнее. Но одновременно в металле повышалось содержание углерода и других примесей, - металл становился хрупким и нековким. Так появился чугун.

Позднее научились перерабатывать чугун; зародился двухступенчатый способ производства железа из руды. В принципе он сохраняется до настоящего времени: современная схема получения стали состоит из доменного процесса, в ходе которого из руды получается чугун, и сталеплавильного передела, приводящего к уменьшению в металле количества углерода и других примесей.

Современный высокий уровень металлургического производства основан на теоретических исследованиях и открытиях, сделанных в различных странах, и на богатом практическом опыте. Немалая доля в этом процессе принадлежит русским ученым. Например, российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.

 

Исходные материалы.

 

Железные руды. Главный исходный материал для производства чугуна в доменных печах – железные руды. К ним относят горные породы, содержащие железо в таком количестве, при котором выплавка становится экономически выгодной.

Железная руда состоит из рудного вещества и пустой породы. Рудным веществом чаще всего являются окислы, силикаты и карбонаты железа. А пустая порода обычно состоит из кварцита или песчаника с примесью глинистых веществ и реже – из доломита или известняка.

В зависимости от рудного вещества железные руды бывают богатыми, которых используют непосредственно, и бедными, которых подвергают обогащению.



В доменном производстве применяют разные железные руды.

Красный железняк (гематит) содержит железо в виде безводной окиси железа. Она имеет разную окраску( от темно-красной до темно-серой). Руда содержит много железа(45-65 %) и мало вредных примесей. Восстановим ость железа из руды хорошая.

Бурый железняк содержит железо в виде водных окислов. В нем содержится 25- 50% железа. Окраска меняется от желтой до буро-желтой. Пустая порода железняка глинистая иногда кремнисто-глиноземистая.

Магнитный железняксодержит 40-70% железа в виде закиси-окиси железа.

руда обладает хорошо выраженными магнитными свойствами, имеет темно-серый или черный с различными оттенками цвет. Пустая порода руды кремнеземистая с примесями других окислов. Железо из магнитного железняка восстанавливается труднее, чем из других руд.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли. В этом железняке содержится 30-37 % железа. Сидерит имеет желтовато-белый и грязно-серый цвет. Он легко окисляется и переходит в бурый железняк. Из всех железных руд он обладает наиболее высокой восстановимостью.

Марганцевые руды содержат 25-45% марганца в виде различных окислов марганца. Их добавляют в шихту для повышения в чугуне количества марганца.

 

Производство чугуна в доменной печи.

 

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Разрез доменной печи схематически изображен на рисунке.

 

 

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрываетсяподвижной колонкой –кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы)в печать вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ј меньше чем обычная.

Производство стали.

В стали по сравнению с чугуном содержится меньше углерода, кремния, серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизить концентрацию веществ путем окислительной плавки.

В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрических печах.

megaobuchalka.ru

Производство чугуна в доменной печи


Производство чугуна – процесс, требующий наличия специального оборудования и соблюдения технологии. Рассмотрим его подробно, начиная от материалов, из которых выплавляется чугун, заканчивая самой технологией. 

Итак, выплавка чугуна происходит в доменной печи. Сырьем для производства являются железные руды. Состав железной руды следующий: рудное вещество и пустая порода. Рудное вещество составляют окислы, силикаты и карбонаты железа. А в основе рудной породы находятся кварцит или песчаник. Существует несколько видов железной руды для производства чугуна. 

Красный железняк

Окраска красного железняка варьируется от темно-красной до темно-серой. Железо, находящееся в составе красного железняка имеет вид безводной окиси. Содержание железа в данном виде руды составляет 45-65%. 

Бурый железняк

Железо, находящееся в составе бурого железняка имеет вид водных окислов. Процент железа составляет варьируется от 25-50. Окраска может быть от желтой до буро-желтой. 

Магнитный железняк

Железо представляет собой закись-окись. Процент его содержания в руде - 40-70. Данный вид железняка обладает ярко выраженными магнитными свойствами. 

Шпатовый железняк

Железо в шпатовом железняке имеет вид углекислой соли. Содержание железа составляет 30-37%. Цвет желто-белый или серый. 

Марганцевые руды

Марганцевые руды в процессе выплавки используются для повышения количества марганца и добавляются в шихту. 

Существуют и другие классификации видов чугуна. 

Как мы уже сказали, процесс выплавки чугуна осуществляется в доменной печи. Рассмотрим этот процесс подробно. 

На первом этапе выплавки чугуна, в доменную печь помещают кокс, агломерат и снова кокс. Эти составляющие располагаются в печи слоями. Что такое агломерат? Агломерат – это железная руда, спеченная с флюсом. Для поддержания нужной температуры, в горн вдувается кислород или подогретый воздух. При сгорании кокс образует CO2. Далее CO2 превращается в CO. Именно CO является восстанавливающим средством для руды. При этом железо становится твердым. При опускании в распар (горячую часть печи) железо растворяет в себе углерод. На этом этапе происходит образование чугуна. Здесь чугун начинает плавиться и постепенно стекать в нижнюю часть печи. Благодаря тому, что на поверхности чугуна скапливаются жидкие шлаки, окисление не происходит. Выпуск чугуна осуществляется через специальные отверстия. В период выплавки эти отверстия закрыты глиняным раствором. Процесс выплавки чугуна в доменной печи является непрерывным. 

metallsk.ru

Доменное производство чугуна

Доменное производство чугуна

Добыча чугуна базируется на восстановлении железа из оксидов железа и переводе пустой породы в шлак. Главной технологией производства чугуна является выплавка в доменных печах.

Чугун выплавляют в огромных доменных печах высотой в 30 м, а диаметром — до 12 м. Внутренняя часть домны изложена огнеупорным кирпичом, а внешняя облицована стальными листами. Сырьем для производства чугуна в доменных печах являются железные руды, топливо и флюсы. Такую смесь сырьевых материалов называют шихтой. Важнейшие железные руды: магнетит Fе3О4, гематит Fe2О3, пирит FеS2, сидерит FеСО3. В качестве топлива используют кокс, который является продуктом переработки каменного угля. Иногда вместо кокса используют природный газ или мазут. С помощью флюсов тугоплавкие примеси и пустую породу превращают в легкоплавкие соединения, шлак. В качестве флюсов используют известняк СaCO3 и доломит MgCO3.

Восстановления оксидов железа проходит по схеме:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

Сверху в доменную печь загружают руду, кокс и флюсы. Снизу через фурмы вдувают обогащенный кислородом и подогретый до 600-800 º С воздуха. В нижней части печи сгорает кокс.

С + О2 = СО2 ↑.

При высокой температуре карбон (IV) оксид взаимодействует с коксом. Продуктом реакции является карбон (II) оксид (угарный газ), который выполняет роль восстановителя в доменном процессе:

СО2 + С = 2СО.

Шихта постепенно опускается вниз, а навстречу движутся нагретые газы. Тем самым осуществляется принцип теплообмена и противотока реагентов.

Образован карбон (II) оксид при температуре 700 º С постепенно восстанавливает железную руду до образования железа:

3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 ↑

Fe3O4 + СО = 3FeО + СО2 ↑

FeО + СО = Fe + СО2 ↑.

Восстановленное в доменной печи железо частично реагирует с углеродом и угарным газом. Продуктом реакции является цементит Fe3C:

3Fe + 2CO = Fe3C + СО2 ↑

3Fe + С = Fe3C.

При высокой температуре известняк разлагается:

CaCO3 = CaO + CO2.

Образован кальций оксид реагирует с тугоплавкими примесями — кислотными оксидами пустой породы. Образуются легкоплавкие вещества — шлаки:

СаО + SiO2 = CaSiO3.

Железо постепенно опускается в более горячую часть печи (распарьте) и растворяет в себе до 4% углерода и другие примеси. Образуется чугун — сплав железа с углеродом, карбидом железа, S, P, Si. Примеси ухудшают качество чугуна.

Чугун плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности. Они предотвращают окисление чугуна. Чугун и шлаки выпускают из печи несколько раз в сутки через особые отверстия, забитые глиной. Чугун выливается огненным потоком при температуре 1500 º С.

С доменной печи выходят газы, содержащие до 25% карбон (II) оксида. Их сжигают в особых аппаратах — кауперах. Каупер предназначены для предварительного нагрева воздуха, вдувают в печь.

Доменная печь работает непрерывно. Высокая температура в печи поддерживается благодаря экзотермическим реакциям. Периодически в печь добавляют новые порции шихты. В одной доменной печи за сутки можно сварить более 2000 т чугуна. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, вплоть до капитального ремонта.

По применению чугун делится на три группы: литейный, специальный, передельный. С литейного чугуна отливают самые разнообразные изделия: детали сложной конфигурации, скульптуры, предметы декора. Добавление магния и других металлов значительно улучшает механические свойства чугуна, уменьшает его хрупкость. С передельного чугуна выплавляют сталь.

Доменный шлак используют для изготовления шлакобетона, гравия, щебня и т.п.

 

xn----7sbfhivhrke5c.xn--p1ai

2.2. Производство чугуна в доменной печи.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Разрез доменной печи схематически изображен на рисунке.

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.

studfiles.net

Доменное производство чугуна — МегаЛекции

РЕФЕРАТ

Производство чугуна

 

 

Выполнил:

Вахрушев Александр

Студент группы

СП 41-о

 

 

Новоуральск, 2016

Введение

Чугун является сплавом железа, содержащим углерод. Его состав может кроме них включать марганцевые, фосфорные, кремниевые, серные и др. компоненты. Изначально материалами для производства чугуна служат железосодержащие руды, топливные материалы, флюсы. Как правило, в виде сырья для производств чугуна применяются железняки, имеющие в составе от 30 до 70% железа и прочих химических веществ в пустой породе, а также вредных серо- и фосфоросодержащих соединений. Данный металл – первичный материал для черной металлургии. Его используют не только при производстве стали и в машиностроении, но и для изготовления художественных изделий. Чугун обладает очень ценными качествами, делающими его пригодным для изготовления изделий самого разного назначения. Этот металл отличается дешевизной и отличными литейными свойствами. Он также обладает высокой твердостью и прочностью. Чугун по этой причине широко используют там, где нужны изделия причудливой формы, способные выдерживать серьезные нагрузки. Он применяется, к примеру, для изготовления оснований станков и деталей корпусов машин.

Цель работы: Разобрать где используют сплавы чугуна, разновидности чугуна и способы его создания. Так же изучим устройство и принцип работы доменных печей.

 

Области применения чугуна.

· В машиностроении широкое применение находит так называемый серый чугун, имеющий в своем составе графит. Изделия из этого металла почти не чувствительны к влиянию напряжений и хорошо поглощают колебания, возникающие при вибрациях машин и механизмов. Серый чугун хорош для изготовления ответственных деталей, например, втулок и станин станков.

· Незаменим чугун в автомобильной промышленности. Из него получаются прочные и устойчивые к износу блоки цилиндров для двигателей. Для большей надежности в состав металла также включают специальные графитовые добавки. Такой усовершенствованный чугун может быть использован и при производстве коленчатых валов дизелей.



· Металл, в котором часть углерода находится в связанном состоянии, идет на изготовление деталей, способных работать в условиях повышенного трения. Из такого чугуна делают высококачественные тормозные колодки, а также прокатные валки для бумагоделательных или мукомольных машин.

· Еще одна область применения чугуна – производство сантехнических изделий. Из этого металла изготавливают трубы, радиаторы отопления, фитинги, кухонные мойки и раковины. До сих пор большим спросом пользуются ванны из чугуна, которые отличаются высокой прочностью, надежностью, практичностью и долговечностью.

· Широко используют чугун для выполнения художественных изделий. Большинство набережных Санкт-Петербурга, к примеру, украшают элементы из чугунного литья. В городе на Неве можно нередко увидеть литые ажурные ворота и причудливые ограждения из этого металла. Встречаются также и чугунные памятники.

Разновидность чугуна


Белый чугун.

Таким чугуном называется тот, у которого практически весь углерод химически связан. В машиностроении этот сплав применяется не очень часто, потому что он твёрдый, но очень хрупкий. Также он не поддается механической обработке различными режущими инструментами, а потому используется для отливания деталей, которые не требуют какой-либо обработки. Хотя этот вид чугуна допускает шлифование абразивными кругами. Белый чугун может быть как обыкновенным, так и легированным.

Половинчатый чугун.

Для указанного чугуна характерно сочетание карбидной эвтектики и графита в его структуре. В целом же, полноценная структура имеет следующий вид: графит, перлит, ледебурит. Если же чугун подвергнуть термической обработке или легированию, то это приведет к образованию аустенита, мартенсита или игольчатого троостита.

Серый чугун.

содержит в своем составе около 3,5% углерода, от 1,9 до 2,5% кремния, до 0,8% марганца, до 0,3% фосфора и менее 0,12% серы. Графит в таком чугуне имеет пластинчатую форму. При этом не требуется специального модифицирования. Пластинки графита имеют сильно ослабляющее действие и потому серому чугуну характерны очень низкая ударная вязкость и практически полное отсутствие относительного удлинения. Серый чугун хорошо подвергается обработке. Структура сплава может быть следующей: Феррито-графитовой, Феррито-перлито-графитовой, Перлито-графитовой.

Высокопрочный чугун.

Чугун с шаровидным графитом принципиально отличается от других своих «собратьев» тем, что в нем содержится графит шаровидной формы. Она получается за счет введения в жидкий сплав специальных модификаторов (Mg, Се). Количество графитных включений и их линейные размеры могут быть различными.

Ковкий чугун.

Структура ковкого чугуна заключается в наличии в нем графита в хлопьевидной или шаровидной форме. При этом хлопьевидный графит может иметь различную дисперсность и компактность, что, в свою очередь, оказывает непосредственное влияние на механические свойства чугуна.

Производство чугуна.

Существуют различные виды чугуна, однако средняя температура плавления этого металлического соединения составляет порядка 1200 градусов Цельсия. Этот показатель на 250-300 градусов меньше, чем требуется для выплавления стали. Такая разница связана с достаточно высоким содержанием углерода, что приводит к его менее тесным связям с атомами железа на молекулярном уровне. В момент выплавки и последующей кристаллизации углерод, содержащийся в чугуне, не успевает полностью проникнуть в молекулярную решётку железа, и потому чугун в итоге получается довольно хрупким. В связи с этим он не применяется там, где имеют место постоянные динамические нагрузки. Но при этом он отлично подходит для тех деталей, которые имеют повышенные требования к прочности.

Доменное производство чугуна

Наибольшее применение нашел в производстве чугуна доменный процесс. Он включает ряд физических, физико-химических, а также механических проявлений, наблюдаемых в действующей доменной печи. Помещенные в эту печь исходные компоненты (кокс, железосодержащие материалы с флюсами) при прохождении всех операций преобразуются в сплав чугуна, выделяющиеся доменные газы со шлаками. Задача доменного производства чугуна – создание этого сплава из железосодержащих компонентов посредством их переплавления в доменных печах в очень высокой температуре.


Поэтому доменный цех – один из важнейших в структуре завода по производству чугуна. Помимо этого производство чугуна в доменной печи – основа для изготовления стали, прокатных изделий – конечной продукции металлургического цикла других предприятий. Часть чугуна является товарным продуктом, поставляемым в твердом виде в форме небольших слитков (чушек). Их получают на разливочных машинах, установленных в стороне от доменного цеха в специальном разливочном отделении. Другая часть чугуна идет на производство сталей. Газ, получаемый в ходе процесса производства чугуна, используют в мартеновском и коксохимическом производствах в металлургии. Он служит основным топливом нагревательных устройств прокатных цехов, доменных воздухонагревателей.

 

 

Чугун выплавляется в печах, куда помещаются, чередуясь слоями, железосодержащие компоненты с флюсами, топливом. От воздействия своей массы они спускаются в низ печи, куда в особые отверстия подается подогретый воздух под определенным давлением. Он поддерживает нужные условия горения загруженного кокса. Технологический процесс производства чугуна предполагает восстановление железа, а также других элементов из их окислов. В процессе восстановления кислород отнимают от окислов и получают из них компоненты или окислы меньшего содержания кислорода.


Одним из ведущих способов производства чугуна считается восстановление железа от действия окиси углерода. Она образуется от сгорания в горне печи природного газа. Еще стоит отметить, что восстановление железа, предусмотренное технологией производства чугуна для данных печей, осуществляется постепенно, в процессе поэтапного извлечения кислорода из окислов. Доменный процесс предполагает, что в процессе восстановления железа участвуют как окиси углерода, так и непосредственно сам твердый углерод.

 

 

Определенное количество железа также восстанавливается с помощью водорода. В схеме производства чугуна восстановление железа от действия водорода или окиси углерода считается непрямым (то есть косвенным), а восстановление с помощью твердого углерода называют прямым. На самом деле восстановление железа в данном случае осуществляется двумя стадиями. К моменту достижения железорудным составом зоны распада доменной печи, где установилась температура около 1000°С и больше, окислы железа успевают частично восстановиться непрямым путем в зоне, где действуют менее высокие температуры. В результате их прямого разложения углеродом получается полное восстановление железа.

 


Рекомендуемые страницы:


Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

Производство чугуна: химия и физика

Первичный чугун получают в доменных печах путем восстановления окислов железа в металлическое железо. Условия в этих печах таковы, что железо чрезмерно насыщается углеродом и выходит из домны в виде чугуна. Этот чугун, кроме того, содержит повышенное содержание различных примесей кремния, марганца, фосфора и других.

Принцип производства чугуна практически не изменился с самых древних времен. Древние доменные печи были из глины и производили несколько килограммов чугуна в сутки. Современные доменные печи — самые большие печи в мире — способны производить в сутки до 6000 тонн чугуна.

Чугун производят путем проведения в доменной печи химических реакций железных и марганцевых руд с восстановителями – окисью углерода и атомарным углеродом. Эти восстановители образуются в результате сжигания в печи топлива — кокса, мазута, природного газ и измельченного каменного угля. Кроме железной руды и топлива применяют и другие материалы, в первую очередь, флюсы. Флюсы необходимы для понижения температуры плавления пустой породы железной руды, перевода в шлак серы, фосфора, золы, сжигаемого топлива и образования легкоплавкого жидкотекучего шлака, который удаляется из печи.

Основные материалы для доменной печи

1) Железняки – источник железа.
2) Кокс – топливо и восстановитель.
3) Известняк – при высокой температуре разлагается в образованием СаО, который действует как флюс и переводит кремнистые пустые породы в шлак CaSiO3.
4) Воздух – поддерживает горение кокса с выделением тепла. Удаляет некоторые неметаллические примеси (кремний, мышьяк) в виде летучих оксидов. Окисляет окись железа FeO в руде до Fe2O3, что способствует сохранению железа в руде. Окись железа FeO, основная по природе, реагирует с SiO2 c образованием шлака FeSiO3. Воздух делает руду пористой, что способствует однородному восстановлению железа.

Железные руды

В земной коре содержится около 50 % железа в виде окислов, сульфидов и других соединений – всего около 200 различных минералов. Горные породы, из которых технически возможно и экономически целесообразно извлекать металлы называют рудами.

К железным рудам относят красный, бурый, магнитный и шпатовый железняки. Эти руды содержат много соединений железа, из которых его извлекают, и пустой породы, которая относительно легко отделяется при переработке.

Минералы в железных рудах

Основными рудообразующими минералами железа являются гематит, лимонит и магнентит.

Гематит – красный железняк. Содержит железо  в виде безводной окиси железа Fe2O3. Содержание железа в красных железняках составляет 45-65 % при небольшом количестве вредных примесей.

Лимонит – бурый железняк. Содержит железо в форме водных окислов типа nFe2O3×mH2O. В буром железняке – 25-50 % железа.

Магнетит – магнитный железняк. Содержит железо  в основном в виде закись-окиси железа Fe3O4, обладающего магнитными свойствами. Магнетиты – самые богатые железные руды – содержат 40-70 % железа.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Конструкция доменной печи

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа. Типичная доменная имеет внизу диаметр 6-8 м и высоту 20-36 м. Самая большая домна, японская, имеет диаметр 14,9 м. Профиль доменной печи и ее температурные зоны показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Профиль доменной печи. Материалы на входе и выходе.
Основные химические реакции

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет — до 10 лет.

Физико-химические процессы в доменной печи

В доменной печи одновременно происходят следующие процессы:

1) горение углерода топлива и образование восстановителей;
2) разложение компонентов шихты;
3) восстановление окислов;
4) науглероживание железа и образование чугуна;
5) образование шлака.

Горение топлива и образование восстановителей

Горение углерода топлива происходит в нижней части печи при взаимодействии воздуха при температуре 1000-1300 ºС с коксом:

С + О2 = СО2 .

Образующийся углекислый газ поднимается к раскаленному коксу и взаимодействует с ним по реакции с образованием восстановителя СО:

СО2 + С = 2СО.

Восстановитель СО в присутствии железа разлагается по реакции с образованием атомарного сажистого восстановителя С:

2СО = С + СО2.

Восстановление окислов железа

Главная задача доменного процесса – восстановление железа из его оксидов. Основную роль в восстановлении железа играют окись углерода и атомарный сажистый углерод, которые образуются в результате доменного процесса.

Зоны реакций восстановления и их температуры в доменной печи показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема восстановления окислов железа
при производстве чугуна в доменной печи

Восстановление окислов железа идет в следующей последовательности:

Fe2O3 → Fe3O4 →  FeO → Fe

Основными реакциями восстановления являются следующие:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + CO
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe +CO2

В восстановлении железа также участвует водород, который образуется из воды, которая содержится в шихте.

Науглероживание железа

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с углеродом:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2.

Сплав железа с углеродом имеет температуру плавления ниже, чем у чистого железа. В результате этого образуются капли жидкого чугуна, которые стекают на дно горна (лещадь) через слой раскаленного кокса, насыщаясь при этом углеродом.

Образование доменного шлака

Основными реакциями образования шлака являются следующие:

CaCO3 → CaO + CO2
CaO + SiO2 = CaSiO3

Побочные реакции восстановления примесей

В результате побочных реакций происходит восстановление примесных элементов – марганца, кремния и фосфора:

MnO2 + 2C = Mn + 2CO
SiO2 + 2C = Si + 2CO
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 = 3CaSiO3 + P2O5
P2O5 + 5C + 2P + 5CO

Таким образом, в доменной печи мы получаем своего рода загрязненное примесями железо, то есть чугун, который содержит больших количествах свободный углерод, а также примесные элементы — марганец, кремний и фосфор.

Доменный чугун

Типичный химический состав доменного первичного чугуна:
Железо (Fe) = 93,5-95,0%
Кремний (Si) = 0,30-0,90%
Сера (S) = 0,025-0,050%
Марганец (Mn) = 0,55-0,75%
Фосфор (P) = 0,03-0,09%
Титан (Ti) = 0,02-0,06%
Углерод (C) = 4,1-4,4%

Из доменного первичного чугуна выплавляют сталь. Процесс выплавки стали, грубо говоря, заключается в снижении в железе содержания углерода и очистке его от чрезмерного содержания марганца, кремния, фосфора и других примесей.

steel-guide.ru

2.2. Производство чугуна в доменной печи.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около 12 м.

Разрез доменной печи схематически изображен на рисунке.

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – кколашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части шахты. Его можно выразить суммарным уравнением:

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2.

Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар - и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ¼ меньше чем обычная.

studfiles.net

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о