Металлургия черных и цветных металлов
..pdfУсовершенствование шихтоподачи, приводящее к ее интен сификации, требует повышения производительности доставки материалов в доменную печь. Наиболее эффективной и простой технологической схемой доставки шихты современных мощных доменных печей, состоящей из офлюсованного агломерата и кокса, является конвейерная подача материалов на колошник. По такой схеме организована шихтоподача доменной печи объ емом 5000 м3. В ней предусмотрено дистанционное открывание разгрузочных люков на бункерной эстакаде рудного двора.
Бункера |
располагаются с обеих сторон наклонного конвейера |
на колошник. Это обеспечивает более гибкую загрузку домен |
|
ной печи |
при любом сочетании порций материалов. Обычно |
одна из сторон |
расположения бункеров является |
резервной. |
В этой схеме |
(рис. 11.6) агломерат и окатыши |
так же, как |
и кокс, выдаются из бункеров при помощи грохотов 1 произ водительностью по 400 м3/ч (а для кокса три бункера 9) в ста ционарные весовые воронки 2, 10 вместимостью 25 м3. Добавки поступают в весовые воронки 7 грузоподъемностью 2—3 т и питателями 6 производительностью 300 т/ч выдаются на кон вейеры 5 периодически в порцию агломерата, окатышей или кокса.
На конвейеры 5 шихта поступает из весовых воронок 2, обо рудованных двумя питателями 3. Производительность каждой воронки 1000 м3/ч. Конвейеры 5 и 8 работают непрерывно, и материалы, согласно заданной программе .загрузки, размеща-
Рис. II.6. Схема шихтоподачи в доменную печь объемом 5000 м3
ются на них порциями с интервалами в зависимости от темпа загрузки, определяемого интенсивностью хода печи.
Мелочь агломерата и окатышей конвейерами 4 собирается от грохотов 1 сборным конвейером 18 и направляется в бун кера мелочи 16, Мелочь кокса сборным конвейером 13, соби рающим ее с конвейеров 12, направляется в бункер мелочи кокса 14. В случае необходимости подача мелочи в бункер мо жет переключаться с конвейера 18 на конвейер 13 при опреде ленном положении шиберов 17 и 19. Выгрузка мелочи осуще ствляется питателями 15.
Загрузочный конвейер работает непрерывно. Это способ ствует уменьшению износа механического оборудования си стемы шихтоподачи. Конвейерная система подачи шихты на колошник имеет следующие преимущества по сравнению со скиповой:
1) конвейерная подача шихты завершает единую систему непрерывной транспортировки от бункеров до колошника и
позволяет полностью ее |
автоматизировать с применением ЭВМ; |
||
2) конвейерная система имеет значительный резерв |
в про |
||
изводительности, сама |
же ее |
производительность при |
работе |
с одной стороной бункеров |
может превышать производитель |
ность скиповой системы; 3) удельные капитальные затраты на 1 т чугуна ниже для
этой системы на 15—20%; эксплуа тационные расходы, благодаря мень шим затратам на амортизационные отчисления, расходы на ремонт, элек троэнергию и зарплату, ниже на 15—
2 0 % ;
Рис. 11.7. Засыпной аппарат с вращающимся лотком
4)санитарно-экологич‘еские усло вия и условия по охране труда при конвейерной системе намного улучша ются. Подача материалов организует ся без их разгрузки в скипы, создаю щей тяжелую обстановку для работы обслуживающего персонала;
5)конвейерный подъем материа лов на колошник может быть осуще ствлен в наклонной галерее из ферм закрытого типа. Это также способст вует улучшению условий труда и со хранности материалов. Оборудование загрузки при этом легче обслуживать
иремонтировать. Конвейерный подъ емник и доменная печь являются не зависимыми сооружениями, что об легчает строительство печей.
Конвейерная система загрузки обусловливает применение засыпных аппаратов, по конструкции отличающихся от засып ных аппаратов для приема материалов из скипов. Для приема материалов с транспортера необходима разработка аппарата с устройством не менее двух специальных воронок-бункеров (шлюзов). В таких конструкциях возможен также переход к бесконусному засыпному аппарату с вращающимся в печном пространстве лотком. Эти принципиально новые засыпные ап параты позволяют равномернее распределять шихту в верхних горизонтах засыпи в печах с большим диаметром колошника.
Аппарат (рис. II.7) состоит из перемещающейся приемной Ьоронки /, двух или трех бункеров 3 (шлюзов) и вращающегося лотка 5. Бункера оборудо ваны верхними и нижними газоуплотнительными клапанами 2, а также ших товыми затворами 4. Приемная воронка попеременно устанавливается над бункерами для загрузки в них Материалов. После заполнения бункера шихтой верхний газоуплотнительный клапан закрывается и открываются нижний кла пан и шихтовой затвор, при этом материал высыпается на вращающийся ло ток. За это время приемная воронка передвигается для загрузки другого бун кера, и цикл повторяется. Вращающийся лоток может поворачиваться вокруг горизонтальной оси и менять угол своего наклона. Это позволяет равномерно распределить материалы по окружности и укладывать гребень рудной части шихты на необходимом расстоянии от стен колошника.
Г л а в а 3. ПРОЦЕССЫ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ЧУГУНА
ВДОМЕННОЙ ПЕЧИ
§1. Движение и теплообмен газов
ишихтовых материалов
Доменное производство является непрерывным металлургиче ским процессом, для осуществления которого с определенными взаимно согласованными расходами в рабочее пространство печи подается через фурмы горячее воздушное или обогащен ное кислородом дутье и топливные добавки, а через колош ник— агломерат или окатыши, шихтовые добавки и кокс. Нор мально протекающий процесс характеризуется приблизитель ным постоянством во времени температурных и концентраци онных полей, в первую очередь в газовой фазе образующейся многофазной металлургической системы — доменном газе. При этом количество, состояние и состав фаз закономерно изменя ются по высоте и сечениям печи под воздействием физических, физико-механических и физико-химических процессов.
Различие свойств двух основных шихтовых материалов — агломерата и кокса, а также их роли в доменной плавке по зволяют так организовать загрузку колошника, чтобы обеспе чить найбо^ее эффективную обработку материалов поднимаю щимися газами и возможно полнее использовать их химиче
скую и тепловую энергию. Железосодержащие материалы имеют меньшую пористость, чем*кокс, что создает большее со противление движению газового потока в местах их скопления. Места, заполненные преимущественно коксом, имеют лучшую газопроницаемость и не оказывают большого сопротивления газовому потоку. Они обеспечиваютбольшую скорость проти вотока газов в условиях увеличения интенсивности всего про цесса. Наиболее полное использование восстановительной спо собности газа и его тепла наблюдается в зоне наименьшей га зопроницаемости, заполненной преимущественно агломератом.
Опускание шихтовых материалов связано с высвобождением объема на более низких горизонтах печи. Если .принять его за 100%, то на долю уминки (истирания, измельчения) материа
лов приходится |
10 %, на долю выпуска чугуна и шлака — 5%, |
|
на плавление |
материалов — 33%, на |
газификацию кокса — |
52%. Подаваемое через фурмы дутье |
взаимодействует глав |
ным образом с коксом на расстоянии 2 м от фурм, откуда под нимается кверху большая часть образующихся газов.
На место сгорающего кокса перемещаются материалы, ко торые располагаются выше, в первую очередь более тяжелый агломерат. Неравномерность опускания материалов в печи свя зана с явлением опережения: более тяжелый материал (агло мерат) при движении вниз опережает и оттесняет с вертика лей более легкий (кокс), а более мелкий материал опережает более крупный. Распределение материалов, создаваемое на уровне засыпи, изменяется. У периферии или ближе к оси печи оказывается больше кокса. Получает развитие периферийный или центральный поток газов или соответственно умеренно-пе риферийный или центральный ход, характерный для работы современных доменных печей. Регулирование их хода достига ется за счет загрузки материалов на колошник, изменения тол щины слоев агломерата и кокса, расположения гребня агломе рата относительно стен колошника с учетом угла откоса этих сыпучих материалов и уровня засыпи шихты на колошнике.
Даже при интенсивном ведении доменного процесса продол жительность пребывания в печи материалов обычно не бывает менее 4—6 ч. Это уменьшает возможности быстрого воздей ствия на ход процесса изменением загрузки шихты, т. е. сни жает технологическую маневренность агрегата. В этом отно шении большие возможности в связи с малой инерционностью имеет регулирование режимов дутья. Расчеты и эксперименты показывают, что время пребывания газов в печи составляет лишь 1—3 с. В то же время понятно, что такое регулирование является ограниченным.
Распределение температур в объеме перерабатываемых ма териалов— одно из важнейших условий, определяющих ход и результаты доменной плавки. В свою очередь оно зависит от
теплообмена между газом-теплоноси телем и шихтой. Тепло, выделяюще еся в горне печи, не может быть ус воено только в нижней части. Послед нее и не являлось бы целесообраз ным. Значительная доля тепла пере дается в верхние зоны, обусловливая высокую суммарную степень его ис пользования.
Нагрев |
материалов |
в доменной |
печи осу |
|
|
|
|
|||||
ществляется |
конвекцией, излучением |
и тепло |
|
|
|
|
||||||
проводностью. Основным видом теплопередачи |
|
|
|
|
||||||||
от газа к материалам является конвекция. Из |
|
|
|
|
||||||||
лучение играет значительную роль лишь в зо |
|
|
|
|
||||||||
не фурменных очагов, теплопроводность — при |
|
|
|
|
||||||||
прогреве кусков |
материалов |
от поверхности |
|
|
|
|
||||||
к центру. |
|
|
газа |
на |
колошнике |
обычно |
|
|
|
|
||
Температура |
|
|
|
|
||||||||
составляет |
300—400 °С. Ее |
повышение |
свиде |
|
|
|
|
|||||
тельствует |
о |
недостаточном |
использовании |
Рнс. |
II .8. |
Схема |
нлообмена |
|||||
тепла газа в печи. |
|
|
|
|
|
|
и доменном печи: |
|
||||
Типичным для нагрева в противотоке яв |
/ — газ; // — твердое вещество; |
|||||||||||
///--термическая |
резервная |
|||||||||||
ляется установление на каждом горизонте |
зона |
|
|
|
||||||||
температур материалов и газов, не зависящих |
|
|
|
|
||||||||
от времени. Однако это распределение |
темпе |
хода |
печи. Температурные го |
|||||||||
ратур зависит от качества шихты, ее загрузки и |
||||||||||||
ризонты можно перемешать по высоте |
путем |
технологических |
воздействий, |
|||||||||
управляя процессом плавки. |
|
|
|
|
|
|
печи типа домен |
|||||
Согласно |
современной теории теплопередачи, шахтные |
ной имеют две зоны теплообмена — верхнюю, и нижнюю, а также резервную
зону (рис. II.8). Для верхней зоны |
GTCTh > G mCmh> т. |
е. газ имеет больше |
тепла, чем может принять шихта, |
отсюда температура |
колошниковых газов |
до 400 °С. В зоне умеренных температур указанные величины близки и тепло
обмен здесь сокращен. В нижней части |
печи, где |
б гСг/т<<7шСш/т, шихта не |
может нагреться до температур газа на |
выходе |
из фурменных очагов. |
Врезультате передачи тепла энтальпия поднимающегося газа уменьша ется, что ведет к понижению его температуры (рис. 11.8, линия ERA). Увели чение энтальпии твердой шихты с повышением температуры за время прохож дения ею шахты показано линией SR. В нижней части печи полная энтальпия шихты дополнительно увеличивается в результате протекания сильно эндо термической реакции С02 с углеродом кокса, поэтому наклон линии RC больше, чем наклон линии SR. Выше некоторого уровня шихты разность тем ператур между восходящими Газами и опускающейся шихтой достигает ми нимального значения (термическая резервная зона).
Взависимости от типа шихты и технологических приемов ведения домен ного процесса, температуры термической резервной зоны изменяются от 900
до 1050 °С, а протяженность этой зоны колеблется от 4 до 10 м.
§ 2. Восстановительные процессы и удаление серы
Основными физико-химическими процессами в доменной печи являются восстановительные процессы, определяющие цель до менной плавки. Для этих процессов, кроме температурных ус ловий, первостепенное значение имеют физические и химиче
ские свойства восстановителя и условия его взаимодействия с оксидными фазами.
По классификации, применяемой в химической технологии и макрокинетике, доменную печь, несмотря на структурную сложность протекающих в ней химических процессов, можно отнести к классу открытых систем; ввиду непрерывного удале ния газообразных продуктов через колошник, периодического, но достаточно частого удаления конденсированных продуктов через горн и непрерывного введения твердых и газообразных реагентов через колошник и горн с расходами, приближаю щими систему к стационарному или точнее квазистационарному макросостоянию.
Несмотря на высокую скорость движения газового потока (от 100—140 на выходе из фурм до 5—10 м/с в слое материа лов), доменная печь как реактор восстановления оксидных ма териалов близка к реакторам идеального вытеснения (реакто рам поршневого типа), т. е. не имеет застойных зон с большой неполнотой взаимодействия газовой и конденсированных фаз.
Восстановительные процессы в нижней части доменной печи протекают с участием твердого углерода, т. е. путем углеродо термического восстановления. Этот термин означает, что отня тие кислЬрода от оксидов происходит с расходованием угле рода углеродсодержащего материала, в данном случае кокса, но не предполагает обязательного прямого взаимодействия уг лерода кокса с оксидом, которое особенно для твердого оксида затруднено образованием продукта реакции, нарушающего контакт с углеродом. В связи с этим применяемый при ана лизе доменного процесса термин «прямое восстановление» ис пользуется по существу для того, чтобы различить расходова ние на восстановление оксидов железа газа-восстановителя и твердого углерода по балансовым реакциям:
FeO -Ь СО = Fe -f-CO2J
FeO + C = Fe + CO (для последней ступени восстановления).
Основная часть восстановительных процессов с отнятием кислорода от оксидов железа выполняется газообразными вос становителями в средней части доменной печи. При этом, хотя водород содержится в газовой фазе печи в меньших количе ствах, чем монооксид углерода, его роль в восстановительных процессах возрастает благодаря более быстрому взаимодейст вию с оксидными материалами, чем СО, и регенерации Н2 по реакции Н20 + С0 = Н2+ С02.
В процессе восстановления участвуют как свободные ок сиды железа — Fe20 3, Fe30 4 и ,Fe*0 , так и более сложные сое динения,, присутствующие в агломератах чи возможно окаты шах: 2 FeO • Si02, CaOn • FeO(2_nr Si02, C a0-Fe20 3. Например, восстановление 2Fe0-Si02 происходит по реакции 2FeO*
|
|
|
|
0 |
1 |
г |
н 2 , % |
|
|
|
|
I |
1 i |
i i |
i |
О |
\ |
8 |
|
16 |
|
С |
2 , % |
|
|
|
|
|
0 |
||
2Ь |
1 |
1 |
i |
i |
Г |
' ''I |
I |
|
зг |
|
ьо |
|
48 С0,°/о |
Рис. 11.9. Изменение температуры и со
става |
газа по высоте шахты доменной |
печи |
на расстоянии полурадиуса от ее |
оси |
|
Рис. 11.10. Изменение температуры става газа по высоте доменной печи:
/ — новые печи; / / — обычные печи.; / / / — вюстит; IV — железо
• Si02(T) + 2 СГр= 2 FeT+ Si02(T) + 2 СО; lg КР= —14700/Г + 14,45 (900—1478 К).
Данные по изменению состава газа и температуры по вы соте печи на расстоянии полурадиуса от ее оси (рис. II.9), по казывают, что кривая содержаний СО изменяет направление при ~ 1000 °С. Нарастание СО от более высоких температур к 1000 °С указывает на протекание реакции газификации угле рода, сопровождающейся реакцией восстановления вюстита мо
нооксидом |
углерода, при этом увеличивается и |
содержание |
СО + С02. |
Кверху по высоте печи их суммарное |
содержание |
становится приблизительно постоянным и составляет 43±3% . Это объясняется протеканием здесь исключительно газового
(непрямого) |
восстановления с |
уменьшением содержаний |
СО |
||
в газе. |
|
|
|
|
|
Соотношения между температурой и составом газа в шахте печи изменя |
|||||
ются в |
зависимости от применяемых |
шихтовых материалов |
и технологии |
||
плавки |
(рис. 11.10). На приведенном графике использована комплексная |
ха |
|||
рактеристика |
(Н20 + С 0 2)/(Н24-Н20+ С 0 -|-С 02), применяемая |
в последнее |
время в связи со значительным содержанием в газе доменной печи Н2 и Н20 при использовании природного газа, пара, увлажненного угля и других водо родсодержащих веществ через фурмы. Она обозначается и является сте пенью использования восстановительной способности СО и Н2 в целом. При ее определении берут концентрации С02, СО, Н20 и Н2 в колошниковом газе по данным его анализа. Значения г\со обычно колеблются для передельного чу
гуна от 0,25 до 0,46. Отношение тЩг/псо, рассчитанных отдельно, составляет 0,9—1,2 и может быть определено также по соотношению
Пн, = 0,88псо + 0,1, |
' |
С1'» |
где Чн.-==H2/(H2+ H 20); |
чсо = СО/(СО + С 0 2). |
Нижняя заштрихованная об |
ласть относится к данным' для доменных печей, работающих на неофлюсованной шихте с повышенным расходом кокса 700—800 кг/т чугуна. Верхняя за штрихованная область соответствует Современным условиям доменной плавки, характеризующимся повышенным давлением газов на колошнике, офлюсованной шихтой, высокотемпературным дутьем, обогащенным кислоро
дом, при расходе кокса около 400 кг/т чугуна. |
|
(Н20 + С02)/(Н2+ |
||
В первом случае газ по комплексной характеристике |
||||
+ Н20 + С0 + С02) |
по отношению к вюститу на всех уровнях шахты является |
|||
восстановительным |
и максимальное использование его |
химической энергии |
||
приходится на 850—800 °С. При 700 °С и, по-видимому, |
более низкой темпе |
|||
ратуре отмечается |
его недоиспользование. Во втором |
случае, |
относящемся |
|
к современным печам, при температурах <900 °С газовая |
фаза |
может быть |
в среднем окислительной по отношению к железу и ее состав соответствует вюститу, приближающемуся к равновесию с железом.
Как уже отмечалось, в доменной печи большая часть вос
становления |
оксидов |
железа |
проходит |
в |
шахте при |
700— |
|
1100 °С. Остаточный |
оксид |
железа (5— |
10% |
вюстита) |
восста |
||
навливается |
в заплечиках |
при |
1200—1400 °С. Экспериментами |
показано, что состав пустой породы подготовленных оксидных материалов, т. е. отношение СаО/ЭЮг оказывает незначитель
ное влияние |
на восстановимость |
при температурах <1100 °С. |
|
При высоких температурах положение меняется. |
|||
Так, |
при |
добавках в окисленные окатыши, содержащие |
|
~ 5 % |
SiC>2, такого же содержания извести степень восстанов |
||
ления |
значительно возрастает |
(рис. 11.11). Добавки оксидов |
магния или обожженного доломита приводят к качественно та кому же, но меньшему результату. В частично восстановлен ных окатышах при возрастании температуры до 1150 °С или выше в пористой структуре образуются жидкие силикаты же леза и вследствие торможения диффузии газа-восстановителя
коксиду восстановление замедляется.
Вокатышах с основностью CaO/Si02~ l жидкая фаза не образуется и поры остаются открытыми (образующиеся сили каты кальция имеют более высокую температуру плавления, чем силикаты железа). В связи с этим быстро восстанавлива ется остаточный оксид железа, не входящий в состав жидких фаз. Восстановимость железорудных окатышей, а также агло мератов зависит, кроме указанного, от многих характеристик шихты, таких как разбухание, прочность при нагреве, темпера тура размягчения.
При соблюдении условий нагрева материала, близких по своему характеру к условиям нагрева в доменной печи, проч ность окатышей и агломератов может сильно снижаться уже при 850—950 °С, что вместе с уменьшением количества недовосстановленных оксидов железа сказывается в резком сниже-
Рис. II.11. Влияние добавок СаО на вос становительную способность спеченных
окатышей из гематитовой руды в газовой смеси 90 % СО и 10 % С02 после восста новления до 80 %:
/ — при 1300 °С; |
2 — при 1000 °С (цифры |
на кривых —- СаО, |
%) |
Рис. |
11.12. |
Сопротивление |
раздавливанию |
|
(---------- |
) |
и |
степень |
металлизации |
(------------ |
) |
при |
нагреве |
материалов по |
заданному режиму:
1 — карбонизированные окатыши; 2 — ша рики, выточенные из плотного агломерата
Рис. 11.13. Скорость v непрямого (а) н прямого (б) восстановления в шахте до
менной печи
нии наблюдаемой скорости восстановления при температуре >1000 °С (рис. 11.12).
М. А. Павловым было установлено, что для достижения ра боты доменной печи с низким расходом кокса, определяющим экономичность процесса, необходимо оптимизировать развитие прямого восстановления так, чтобы обеспечить соответствие теплового баланса плавки высокому уровню производительно сти печи.
При оценке степени развития реакций прямого и непрямого восстановления в доменной печи по данным материальных ба лансов и составов газа установлено, что для обеих реакций максимальные скорости достигаются вблизи термической ре зервной зоны при 950—1050 °С (рис. 11.13).
Как только шихта достигает заплечиков, быстрый рост тем пературы создает условия для начала восстановления более прочных оксидов, таких как MnO, Si02, фосфатов, и растворе
ния углерода, марганца, кремния, серы, |
фосфора |
в железе. |
В .процессе участвуют расплавляющееся |
железо и |
пустая по |
рода, формирующая шлак. Наиболее легко восстановимыми являются оксидны-е соединения фосфора, вследствие чего прак тически весь фосфор шихты переходит в чугун.
В большой степени происходит в доменной печи восстанов
ление Марганца. |
В агломератах часть марганца присутствует |
в виде силикатов |
M nO-Si02 и 2 M nO-Si02, восстановление ко |
торых термодинамически облегчается добавками СаО и проис
ходит |
в его присутствии по |
реакции: |
МпО • Si02+ C+ СаО = |
|
= [Мп] + СаО • Si02+ CO. При |
выплавке |
обычных чугунов |
сте |
|
пень |
восстановления марганца составляет ~50% или |
не |
сколько выше. При выплавке в доменной печи марганцовистых сплавов она возрастает.
Элементом, всегда присутствующим в шихтовых материалах доменной плавки и частично восстанавливаемым в чугун, явля ется кремний. В агломерате кремний присутствует в виде си ликатов железа, кальция и силикатов промежуточного состава, в золе кокса он может присутствовать в виде свободного ди оксида кремния. Химическй прочные соединения кремния вос станавливаются только с участием углерода в области высо ких температур. Несколько облегчает восстановление переход восстанавливаемого элемента в раствор в жидком чугуне, а также образование силицидов. Вместе с тем восстановление затрудняется после перехода диоксида кремния в шлак с по нижением его термодинамической активности. Восстановление кремния в основном протекает в горне доменной печи.
Ранее полагали, что усвоение восстановленного углеродом кремния каплями восстановленного железа происходит сразу после начала их образования. Позже было показано, что при сгорании кокса, особенно в современных печах с высоко нагре