книги / Металлургия черных и цветных металлов

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

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.

ной имеют две зоны теплообмена — верхнюю, и нижнюю, а также резервную

до 400 °С. В зоне умеренных температур указанные величины близки и тепло­

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*

гуна от 0,25 до 0,46. Отношение тЩг/псо, рассчитанных отдельно, составляет 0,9—1,2 и может быть определено также по соотношению

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

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

показано, что состав пустой породы подготовленных оксидных материалов, т. е. отношение СаО/ЭЮг оказывает незначитель­

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-

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

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

торых термодинамически облегчается добавками СаО и проис­

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