Физико-химические процессы производства чугуна. Доменный процесс.
Доменное производство-производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Д. п. — отрасль чёрной металлургии.
Исходными материалами (шихтой) в Д. п. являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши, а также горючее и флюсы.. Основным горючим в Д. п. служит каменноугольный кокс.
Доменная печь представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя — преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте.
Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000—1200°С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).
Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи (рис. 3).
Основные химические процессы в доменной печи — горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с t 1600—2300°С, содержащие 35—45% CO, 1—12% H2 и 45—65% N2, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H2 частично окисляются до CO2 и H2O. Газы, выходящие из печи, имеют t 150—300°С.
Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают очаги горения, называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к циркуляции кусков кокса. Восстановление железа и др. элементов. В доменной печи Cu, As, Р, подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те элементы, которые образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75—90%, Mn на 40—75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются.
Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe2O3 и Fe3O4 происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:
3Fe2O3 + CO (H2) = 2Fe3O4 + CO2 (H2O),
Fe3O4 + CO (H2) = 3FeO + CO2 (H2O).
Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).
FeO + CO (H2) = Fe + CO2 (H2O),
FeO + C = Fe + CO.
Высшие окислы марганца MnO2, Mn2O3 и Mn3O4 восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции:
SiO2 + 2C + Fe = FeSi + 2CO.
Работа доменной печи начинается с её задувки. При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта — так называемой задувочной шихтой. В полностью загруженную печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное количество), кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна и шлака производится через 12—24 ч, после чего количество дутья и рудная нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются, и через несколько дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.
Внедоменные способы получения чугуна: «Ромелт» и аналогичные процессы.
“РОМЕЛТ" – полностью жидкофазный процесс получения металла
Полностью жидкофазный одностадийный процесс, при котором восстановление железа происходит из расплава железосодержащих материалов, позволяет перерабатывать их без окускования и сортировки по размерам. Жидкофазный процесс в агрегате осуществляется за счет непрерывного восстановления железа в шлаковой ванне. В качестве реакционной зоны, в которой непрерывно осуществляются процессы восстановления, используется шлаковый расплав, содержащий до 3% FeO. Протекание окислительных процессов обеспечивается продувкой шлаковой ванны кислородсодержащим дутьем. При этом достигается необходимый барботаж шлаковой ванны. Источником тепла для их протекания является энергетический уголь, который сжигается до СО с сохранением в объеме ванны восстановительной атмосферы. Получаемый чугун по составу соответствует доменному чугуну, однако, содержание в нем Si и Mn не превышает 0,15% в связи с температурными условиями восстановления в пределах 1450-1500оС. Это важная особенность чугуна "Ромелт", позволяющая более эффективно перерабатывать его в сталь ввиду уменьшения образования при этом шлака. Оно поддерживается непрерывной совместной загрузкой железосодержащей шихты и угля в шлаковую ванну в определенном соотношении. Отсутствие необходимости предварительной подготовки железосодержащей шихты в агрегате "Ромелт" принципиально отличает его от других. Дополнительным преимуществом процесса "Ромелт" является возможность работать на шихте с пониженным содержанием железа в пределах 45-55%.
Процесс "НISМЕLТ", опробованный на опытной установке в Австралии, также является многостадийным. Доля жидкофазного восстановления составляет около 70%. В этом процессе реакционной зоной является ванна жидкого чугуна. Это исключает возможность использования в ней водоохлаждаемых кессонов и требует огнеупорной футеровки, низкая стойкость которой будет препятствием в условиях промышленной эксплуатации. По последним публикациям, конфигурация реактора приближается к агрегату "Ромелт".
Голландская фирма разрабатывает комбинированный двухстадийный процесс ССР (циклон-конвертер) с использованием экспериментальных установок. Ее представители в 1998 г. знакомились с работой агрегата "Ромелт" в г. Липецке.
В настоящее время в разработках новых процессов в черной металлургии наметилась тенденция к переходу на одностадийные процессы. Например, Американский институт черной металлургии в течение ряда лет разрабатывал двухстадийный процесс с предварительным восстановлением и плавильно-восстановительным реактором конвертерного типа. В настоящее время разработки по процессу этого института прекращены и прорабатывается другая возможность бескоксового получения металла. В Австралии фирма "АUSМЕLТ" в конце 1994 г. объявила о работах по созданий демонстрационной установки для получении жидкого металла из железной руды с использованием угля. Для черной металлургии эта фирма создает одностадийный жидкофазный процесс с использованием шлаковой ванны в качестве реакционной зоны и подачей кислорода для барботажа ванны. Агрегат имеет конфигурацию, сходную с "Ромелтом".
Схема агрегата "РОМЕЛТ": 1 - барботируемый слой шлака; 2- металлический сифон; 3- переток; 4- горн с подиной; 5-слой металла; 6- фурмы нижнего ряда (барботажные); 7- шлаковый сифон (отстойник); 8- дымоотводящий патрубок; 9- загрузочная воронка; 10- водоохлаждаемые кессоны; 11- фурмы верхнего ряда (для дожигания); 12- слой спокойного шлака