книги / Снижение экологической нагрузки при обращении со шлаками черной металлургии

− постоянный химический состав больших масс материалов.

Железорудные материалы в естественном состоянии этим требованиям не удовлетворяют. Большинство руд имеют невысокую концентрацию железа или содержат большое количество пустой породы. При плавке таких руд образуется большое количество шлака, требующего повышенного расхода кокса. Некоторые руды содержат вредные примеси, снижающие качество металла или требующие дополнительных расходов на их удаление. При добыче руд образуются очень крупные куски (до 1500 мм), присутствие которых в шихте снижает скорость восстановления и теплопередачи, а также много мелочи (до 10 мм), ухудшающей газопроницаемость шихты и вызывающей снижение хода процесса восстановления и, следовательно, производительности доменной печи. Большинство месторождений железных руд имеют неодинаковый химический состав даже в пределах одного забоя.

Все это требует специальной подготовки руд перед их загрузкой в доменную печь. Основными способами подготовки руд являются:

−дробление для уменьшения размеров кусков руды и сортировка по классам крупности;

−обогащение для снижения содержания пустой породы;

−усреднение, в результате которого уменьшаются колебания химического состава руд;

−окускование, благодаря которому становится возможным использование пылевидных и мелкокусковатых материалов.

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

−тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая

31

интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;

−химическую, являясь основным химическим реагентомвосстановителем оксидов железа и других элементов;

−физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа

ирасплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи, и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

−высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;

−достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;

−неспекаемость в условиях доменного процесса;

−достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

32

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии. Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающий определенными физическими свойствами. Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд, составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака

вдоменной печи (1450–1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать до температуры, значительно превышающей температуру плавления. Однако при определенном соотношении оксидов, входящих

всостав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С. Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы вшлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было от 2 до 4. В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве

случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3, или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3. В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железо-

33

рудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получения окатышей).

2.1.2. Доменный процесс получения чугуна

Сущность доменного процесса получения чугуна заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в доменной печи (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема процесса получения чугуна

Доменный процесс относится к типу противоточных. Навстречу поднимающемуся потоку горячих газов, образующихся при сгорании кокса у фурм, опускается столб шихтовых материалов (рис. 2.2).

Газовый поток, содержащий СO, СO2, Н2, N2 и т.п., образуется в результате горения углерода кокса. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материа-

34

Рис. 2.3. Материальный баланс доменного процесса выплавки чугуна

После загрузки в печь шихта начинает нагреваться (рис. 2.4), и по мере непрерывного опускания последовательно развиваются следующие процессы:

−испарение влаги шихты;

−восстановление оксидов железа и некоторых других элементов;

−диссоциация карбонатов.

Испарение влаги шихты. Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую, а иногда и гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется и удаляется на колошнике, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги:

Н2Ож → Н2Опар.

36

Гидратная влага удаляется при температурах выше 400 °С, и выделяющийся водяной пар взаимодействует с оксидом углерода или углеродом, обогащая поток газа водородом.

Н2Опар + СО = СО2 + Н2; Н2Опар + С = СО + Н2.

Восстановление оксидов железа и некоторых других элементов. В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом – прямым. Реакции косвенного восстановления сопровождаются выделением тепла и происходят в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления сопровождаются поглощением тепла и протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe.

До температур 700–900 °С восстановление осуществляется газовым восстановителем (СО) по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;

Fe3O4 + CO = 2FeO + CO2;

FeO + CO = Fe + CO2.

По мере опускания шихты до горизонтов с температурой 900–1200 °С выделяющийся в ходе восстановления углекислый газ (СО2) начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции

СО2 + С = 2СО.

Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции

FeO + C = Fe + CO.

38

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться косвенным путем. По мере опускания шихты выделяющийся в результате восстановления СО2 начинает взаимодействовать с углеродом твердого топлива, и процесс непрямого или косвенного восстановления переходит в прямое восстановление.

Часть оксидов железа руды восстанавливается водородом, образующимся в доменной печи в результате реакции разложения паров воды:

Н2О + С = Н2 + СО.

Восстановление оксидов железа водородом происходит так же, как оксидом углерода (СО) – по стадиям от высших к низшим:

3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O;

Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O;

FeO + H2 = Fe + H2O.

Водород как реагент-восстановитель характеризуется более высокой степенью использования. Вследствие меньшего размера его молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Поэтому, несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу.

Кроме железа в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты (марганца, кремния, фосфора, серы).

Марганец содержится во всех железных рудах в больших или меньших количествах. В соответствии с принципом последовательных превращений оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим:

MnO2 → Mn2O3 → Mn3O4 → MnO → Mn.

39

Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью до MnO непрямым путем, взаимодействуя с СО. Оксид MnO восстанавливается только прямым путем, и то частично, по реакции

MnO + С = Mn + СО.

Взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn3C, который растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO переходит в шлак.

Кремний попадает в доменную печь с шихтой в виде SiO2. Восстановление его, как и марганца, осуществляется частично при высоких температурах твердым углеродом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Другая часть SiO2 переходит в шлак, а восстановленный кремний растворяется в железе.

Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соедине-

При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа полностью растворяются в железе. Условия доменной плавки не позволяют удалить из металла фосфор. Весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Поэтому единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.

Сера наряду с фосфором и мышьяком относится к вредным примесям чугуна, ухудшающим качество металла. Поэтому большое внимание уделяется проблеме снижения серы в чугуне, а затем и в стали. Сера может присутствовать в шихтовых материалах в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, СaSO4. Независимо от формы, в которой она присутствует в шихте, большая часть серы растворяется в чугуне в виде FeS.

40