Металлургия черных и цветных металлов

лями, футерованными высокоогнеупорными материалами в вы­ сокотемпературной зоне, нагреваемой в верхней части стен и на куполе до 1500 °С (рис. 11.21). В качестве материалов для подкупольной части применяют специальный высокоглиноземи­ стый кирпич или малоразрыхляющийся динас.

§ 2. Технико-экономические показатели доменного процесса

К основным показателям работы доменных печей относятся их суточная производительность и расход кокса на 1 т выплавляе­ мого чугуна. Благодаря улучшению, подготовки сырья, форси­ рованию хода доменной плавки, совершенствованию технологии и введению автоматизации, эти показатели непрерывно улуч­ шаются. Для сравнительной оценки производительности домен­ ных печей различного объема в СССР пользуются величиной коэффициента использования полезного объема печи (к.и.п.о.). Он определяется из отношения полезного объема печи (V, м3)

кее суточной производительности (Р, т передельного чугуна):

К.и. п. о. = V/P, м3/(т • сут).

Обычно для расчета используют значения среднемесячной производительности, деленной на календарное число суток, ис­ ключая плановую продолжительность капитальных ремонтов. При выплавке в доменной печи других продуктов производи­ тельность пересчитывают на передельный чугун, пользуясь пе­ реводными коэффициентами. Чем ниже к.и.п.о., тем произво­ дительнее работает доменная печь. В настоящее время к.и.п.о, на передовых печах СССР резко улучшился и составляет 0,42—0,44.

Производительность доменной печи данного объема зависит от интенсивности плавки и удельного расхода кокса. Наиболее распространенным в отечественной практике показателем ин­ тенсивности плавки является отношение количества топлива, израсходованного за сутки, к полезному объему печи, т/(м3Х Хсут):

где Си и Сд — содержание углерода в коксе и углеродсодержа­ щих добавках, %; К и (2Д— суточный расход кокса и углерод­ содержащих добавок, т. Интенсивность доменной плавки, опре­ деленная таким способом, достигает 0,95—1,25 т углерода в сутки на 1 м3 объема печи. Важнейшим показателем домен­ ной плавки, определяющим экономичность ее работы, служит удельный расход кокса. Его величина влияет на производитель­ ность печи, а также показывает использование химической и тепловой энергии в ее рабочем пространстве. В удельном рас­ ходе кокса проявляются техническое совершенство печи, сте­ пень подготовки исходных материалов и эффективность ведения

процесса. Следует помнить, что стоимость кокса составляет бо­ лее половины общей стоимости чугуна. В настоящее время рас­ ход кокса является экономичным, составляя около 550 кг/т, но имеет еще существенные резервы для его уменьшения.

Рассмотренные показатели оценивают работу доменной печи с технической точки зрения и не характеризуют в полной мерс эффективность организации труда и производства, в том числе в смежных отраслях, отражающихся на показателях доменного производства. Для более полной экономической оценки работы трудового коллектива доменного цеха служат показатели про­ изводительности труда и себестоимости чугуна. Производитель­ ность труда выражают годовой выплавкой чугуна на одного члена трудового коллектива. На современных заводах она со­ ставляет более 8 тыс. т/чел. Средняя себестоимость включает следующие основные затраты, %: исходные материалы 42, тех­ нологическое топливо 50, заработная плата 1,5, амортиза­ ция 1,5.

§ 3. Внедоменная обработка чугуна

Цель внедоменной обработки чугуна вначале состояла в ча­ стичном перенесении процесса его десульфурации из доменной печи в ковш вследствие снижения производительности домен­ ных печей при получении продукта с более низким содержа­ нием серы. Однако позже на первый план вышла возможность достижения при внедоменной обработке таких содержаний серы, обеспечение которых в самой доменной печи нецелесооб­ разно, а часто и невозможно — до 0,02 и даже 0,01 % и ниже. Была показана технологическая и экономическая целесообраз­ ность глубокой внедоменной десульфурации чугуна, отвечаю­ щей возросшим требованиям к составу металла, выплавляемого в кислородных конвертерах. Удовлетворительные результаты достигались при применении различных десульфурирующих реагентов, таких как сода Ыа2СОз, магний, карбид кальция, по­ рошкообразная известь и др. Внедоменная десульфурация поз­ воляет при их применении удалить из чугуна 50—95 % нахо­

дящейся в нем серы.

При разработке вариантов наиболее полной десульфурации чугуна, которую целесообразно организовать непосредственно у его потребителя — в кислородно-конвертерном цехе в зали­ вочных ковшах на специальных стендах, могут работать две системы пневматической подачи десульфураторов, действующих совместно или по отдельности. По одной системе подают мелко­ зернистый материал с хорошей текучестью, а по другой — круп­ нозернистый материал во взвешенном состоянии. Кзк десуль­ фурирующие агенты используются смеси СзС2 с газоотделяю­ щими добавками, гранулы Na2C 03, покрытые солями, смеси

СаО с гранулами магния со смешением в погружной фурме; сначала гранулы алюминия, затем без перерыва мелкая СаО. Производительность установки, в значительной степени автома­ тизированной и управляемой ЭВМ, составляет 6000 т чугуна в сутки. Максимальное исходное содержание серы 0,300% сни­ жается до 0,001 %.

Как рафинирующий агент для удаления серы и фосфора одновременно используют соду с расходом от 2 до 10 кг/т, при этом степень дефосфорации составляет 80%, при дальнейшем увеличении расходов соды она возрастает слабо. Степень де­ фосфорации для низкокремнистых чугунов, прошедших обескремнивание, оказывается достаточно высокой. Показатель рас­ пределения фосфора т]р = (Р20б)/[Р] увеличивается с повыше­ нием основности шлака и понижением температуры и при температуре металла 1200—1250 °С и основности, равной 2, на­ ходится в пределах 300—800.

Дефосфорация чугуна происходит по реакции: 5Na2C03 + 4 [Р] - 5 (NaeO) ^ 2 (Р А ) + 5 [С].

Степень дефосфорации зависит от .содержания кремния в чу­ гуне и расхода соды и составляет 60—90 %. Так, при начальном содержании фосфора в чугуне 0,090 % количество его после об­ работки равняется в среднем 0,015%. Температура при обра­ ботке несколько снижается. Так, при начальной температуре 1370 °С конечная была 1326 °С. Если удаление серы при при­ менении основного шлака на базе СаО является недостаточ­ ным, то для достижения желаемого уровня десульфурации в чу­ гун вдувают малые количества карбида кальция.

Таким образом, при правильно и тщательно организованной внедоменной комплексной обработке чугуна перед поступле­ нием его в конвертер могут быть достигнуты очень низкие со­ держания кремния, фосфора и серы, например 0,02 % Si, 0,005% Р и 0,01 % S и менее. Это является особенно целесооб­ разным, если в конвертере получают очень чистую сталь, в том числе и по содержанию углерода.

Вопросы для самопроверки

1. Показать ориентировочным расчетом, что по мере повышения темпера­ туры дутья в доменной печи снижение расхода кокса относительно уменьша­ ется.

2.Количество дутья в доменной печи составляет большую долю от массы загружаемой шихты — около 70%. Подтвердить необходимость такого отно­ сительного количества дутья расчетом.

3.В каких зонах доменной печи и при взаимодействии с какими железо­ рудными материалами могут улучшаться условия восстановления оксидов железа при дополнительном повышении давления газовой фазы?

4.Объяснить, почему на новых доменных печах, работающих на офлюсо­ ванной железорудной шихте и по усовершенствованной технологии, показа­

Fe—FeO), выделяют следующие три температурных интервала: первый — до температуры плавления оксида /“ е°; второй — от

температуры плавления оксида до температуры плавления ме-

в твердой фазе, в третьем — полностью в жидкой фазе, во вто­ ром при наличии твердой и жидкой фаз.

В реальных условиях применительно к металлургии железа границы температурных интервалов в зависимости от типа процесса могут изменяться. Например, наличие оксидов других металлов приводит к понижению температуры плавления ок­ сидной фазы. Жидкие шлаки в этом случае могут появляться при более низких, чем температурах, например при полу­

чении кричного железа во вращающихся печах. При науглеро­ живании железа температура его плавления также снижается.

В первом температурном интервале для железа обычно вы­ деляют следующие две характерные температуры, определяю­ щие ряд особенностей, имеющих важное значение при разра­ ботке технологии процессов металлизации: температура пиро­ форности t„ и температура спекания tc.

При восстановлении оксидов железа ниже tn железо полу­ чается пирофорным, т. е. склонным ко вторичному самопроиз­ вольному окислению. На воздухе такое железо быстро окис­ ляется, а температура его заметно повышается. Скорость окис­ ления при этом может непрерывно возрастать, и металл самовозгорается. Пирофорность наблюдается для железа, вос­ становленного при температурах до 700—800 °С.

При температуре выше tc наблюдается спекание восстанов­ ленного железа. Так при восстановлении тонкоизмельченных железных руд или концентратов в процессе выделения железа происходит срастание мелких частиц в более крупные, что оп­ ределяет ряд требований к технологии.

По виду восстановителя. При газовом восстановлении ис­ пользуют как чистые газы (Н2, СО, СН4), так и сложные газо­ вые системы (СГС), например продукты конверсии природного газа, генераторный газ и другие.

При восстановлении твердым углеродом (Углеродотермиче­ ское восстановление) в установках прямого получения металла используют твердый углерод. Его применяют в составе природ­ ных топлив, например кокса, угля, или в элементарном виде (графит, сажа, пироуглерод, другие модификации). Иногда по­ добные установки называют установками прямого восстановле­ ния. Термин прямое восстановление не имеет физико-химиче-

ского обоснования и перешел из работ по анализу процессов в доменной печи, где он используется для того, чтобы отличить восстановление оксидов железа газом и твердым углеродом.

Восстановление углеродом, растворенным в металле, ис­ пользуют в внедоменных способах для восстановления окси­ дов. При производстве некоторых металлов восстановление их оксидов осуществляется другими металлами (металлотермия).

Процессы прямого получения металла можно также класси­ фицировать по характеру нахождения материала в реакторе,

при этом выделяют способы, где в реакторе реализован режим слоевого восстановления. Слой материалов может быть, дви­ жущимся и неподвижным. Имеются реакторы, где восстановле­ ние оксидов идет во взвешенном состоянии и в барботируемом расплаве.

§ 2. Энергетическое обеспечение процессов прямого получения металлов

Перед тем как рассматривать конкретные процессы, рассмот­ рим общую картину энергетического обеспечения производства, поскольку энергетические затраты являются важным вопросом при создании различных способов и оценке их экономичности.

Способы прямого получения металла и соответствующие установки можно представить состоящими из двух частей: уста­ новка получения восстановительного газа (реактор-преобразо­ ватель) и восстановительный реактор, где осуществляется вос­ становление оксидов газом или углеродом.

Различные способы отличаются главным образом только пу­ тями взаимодействия этих реакторов. На рис: III.1 приведена принципиальная схема газовых (энергетических) потоков про­ цессов газового восстановления. Два устройства (реактор-пре­ образователь и реактор-восстановитель) снабжаются газом (энергией) для двух различных целей: для восстановления и для получения восстановительного газа (в большинстве случаев путем конверсии). На схеме показано движение потоков газа, преобразованного (конвертированного) газа и отходящих газов. Входящий природный газ (основа СН<) превращается в газ, содержащий СО и Н2, и направляется в реактор-восстанови­ тель, который может быть шахтной печью, ретортой, реактором

с кипящим слоем или другим реактором.

Газ, выходящий из реактора-восстановителя, может быть снова использован для восстановления или сразу, или после дополнительной конверсии, а также для энергетического обес­ печения реакторов. Реактор-преобразователь можно отапливать и другим газом или использовать для этого другие источники энергии. Среди способов прямого получения металла с газовым восстановлением наибольшее распространение в промышленных

Рис. II1.1. Схема газовых (энергетических) потоков при прямом получении же леза

масштабах получили способы восстановления в шахтных печах и ретортах: Мидрекс-процесс, процесс Виберга и его разновид­ ности, процесс Хоялата и Ламина, а также процессы с кипящим слоем.

§ 3. Прямое получение металла в шахтных печах

Мидрекс-процесс осуществляется в шахтной печи, в которой газ-восстановитель и железорудный материал движутся на­ встречу друг другу. Этот способ является основой производ­ ства Оскольского электрометаллургического комбината

(ОЭМК).

Схематически получение стали из руды показано на рис. III.2. Железная руда с рудника поступает на горнообогательный комбинат. Руда проходит стадии дробления, измельчения и обогащения, в результате получают концентрат. На тарель­ чатых грануляторах из концентрата производят окатыши, кото­ рые подвергают упрочняющему обжигу в шахтных печах. Упрочненные окатыши загружают сверху в шахтные печи. В печь подается газ-восстановитель, который получают путем конверсии природного газа в установке конверсии. Восстанов­

к природному газу, который идет на конверсию. Часть колош­ никового газа также вместе с природным газом сжигают для обогрева установки конверсии. Металлизованные окатыши вы­ гружают из шахтной печи и направляют в электропечи для вы­ плавки стали. ОЭМК в настоящее время является крупнейшим в мире заводом прямого получения стали из окатышей.

С/77а/7г>

Процесс Виберга разработан и реализован в 1920 г. в Шве­ ции, является непрерывным и осуществляется в шахтной печи, работающей по принципу противотока — железорудный мате­ риал движется сверху вниз, а газ-восстановитель — снизу вверх. На рис. II 1.3 приведена, схема взаимодействия агрегатов про­ цессов Виберга. Восстановительный газ, содержащий 67 % СО, 28,5 % Н2, 3 % С02, 1,5 % Н20, поступает в нижнюю часть печи при температуре ~ 1200 К, проходит через шихтовые мате­ риалы, нагревая и восстанавливая оксиды железа. На некото­ рой высоте шахты, где железо и вюстит находятся в равнове-

лить на три зоны. В нижней зоне вюстит восстанавливается до железа за счет СО и Н2, поступающих из газогенератора. Ос­ тавшийся после частичного вывода из печи газ после зоны вос­ становления поступает в зону предварительного восстановле­ ния, где гематит восстанавливается до магнетита и магнетит — до вюстита. Состав рециркулирующего газа примерно соответ­ ствует равновесному в системе вюстит — железо — СО — С02. В верхней части в печь вдувается воздух для дожигания остав­ шихся газов и за счет этого тепла происходит подогрев шихты.

Количество подаваемой шихты рассчитывают таким обра­ зом, чтобы на выходе из печи железная руда была полностью восстановлена, а газ, покидающий восстановительную зону, был по составу близок к равновесному с тем, чтобы не иметь бесполезной вюститной резервной зоны.

На рис. III.3 показано схематически изменение соотноше­ ния оксидов железа при переходе от одной зоны к другой по высоте печи. Нагрев карбюризатора осуществляется за счет электроэнергии. Восстановленное губчатое железо охлаждается в нижней части печи до 100—150 °С и непрерывно выгружается из печи. Производительность одной установки около 25 тыс. т губчатого железа в год. На 1 т губчатого железа расходуется 150 кг кокса, около 900 кВт-ч электроэнергии.