ОБЩАЯ СХЕМА И СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

ОБЩАЯ СХЕМА И СУЩНОСТЬ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА. Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы кокс, железосодержащие компоненты и флюс в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ. В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители.

Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе своеобразное очертание, называемое профилем. Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 1200 С воздухе дутье, который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы.

К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар. Кокс поступает в горн нагретым до 1400 1500 С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 2000 С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 450 С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 20 . Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями подачами.

Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате.

Загрузку подач производят через 5 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов. В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов.

Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe. Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 1100 С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы кремний, марганец и фосфор.

Науглероженное железо, содержащее около 4 углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 1150 С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса и зола. При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке.

Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак через шлаковые летки верхний шлак и чугунную летку во время выпуска чугуна нижний шлак. Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние. Теория и практика работы современных промышленных печей Москва-Ленинград Госэнергоиздат. 1963 С. 5-24. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ В последние годы на металлургических предприятиях все более широкое развитие получает термовременная обработка металлургических расплавов.

Широкому применению термовременной обработки при выплавке чугуна способствует распространение индукционной плавки. При выплавке чугуна в индукционных печах температура металла в печи на 200 - 300С превышает температуру ликвидуса.

Данные температуры достигают температурного интервала при котором происходят фазовые превращения в жидких чугунах и сталях при термовременной обработке. Критические температуры фазовых превращений в жидких чугунах и сталях определяли по поверхностному натяжению методом лежащей капли на высокотемпературном микроскопе Leitz в температурном интервале 1300 - 1600С. Анализ опытных данных, полученных в лабораторных условиях, показал, что основные преврашения в жидкой фазе как в природнолегированных титаном и ванадием, так и в хромоникелевых чугунах для прокатных валков в температурном интервале 1485 1550С. В условиях чугунолитейного участка литейного цеха ОАО ЗСМК и ОАО Кузмашзавод реализован целый комплекс технологий с применением термовременной обработки ТВО при производстве термостойких отливок.

Было установлено, что качественные параметры отливок значительно зависят от показателя 1 где Т1 - температура перегрева металла, С Т2 - температура ликвидуса для данной марки сплава, С t - время изотермической выдержки, мин. Варьируя параметром S, как показали практические результаты, можно без применения легирующих добавок получать необходимые свойства чугуна в отливках.

Для определения влияния ТВО на скорость протекания процессов индукционной плавки осуществлялся кинетический анализ. Исследование кинетики проводилось на 40 экспериментальных плавках, от которых отбирались пробы металла 103 пробы, определяли их химический состав.

Кроме того, отбирались пробы шлака 51 проба, азот в металле определяли методом вакуумплавления на приборе TN-114, а химический состав шлака химическим методом по общепринятой методике. Содержание кислорода определялось на эскалографе ЕАО-202 фирмы Бальцерс, водорода методом вакуумнагрева. Пробы металла и шлака и замеры окисленности производились через 30-50С по ходу плавки. Результаты эксперимента представлены на рис. 1. Рис. 1. Содержание FeO 1 и MnO 2 в шлаке Для анализа опытных данных на шкалах температуры и времени нагрева условно выделены 3 зоны нагрева А 1350 1420С, Б 1420 1470С, В 1470 1520С. Область низких температур зона А характеризуется наличием очень вязкого высокоокисленного шлака с содержанием FeO до 30, который в виде коржей плавает на поверхности металла. Для этого шлака характерно относительно высокое содержание азота.

Ввиду повышенной окисленности и малой жидкоподвижности шлак в виде коржей плавает на поверхности тигля и слабо взаимодействует с металлом.

При достижении температуры 1420С и заполнении тигля на 40 - 70 начинается дробление шлакового покрова и засасывание частиц шлака циркуляционными потоками вглубь ванны. Вследствие этого резко увеличивается поверхность взаимодействия в системе металл-шлак и интенсифицируется процесс восстановления оксида железа шлака углеродом металла, что сопровождается кипением ванны. В зоне В шлак хорошо раскислен, содержание FeO ниже 4 5, а на ряде плавок около 1. Кипение ванны затухает.

При анализе полученных экспериментальных данных использовали аппарат формальной кинетики. В каждой зоне были получены кинетические константы реакций восстановления FeO шлака углеродом, растворенным в металле в виде 2 где Т температура, К WFeO удельная скорость реакции, мольм2 Сi концентрация компонента, мольм3 С1, С2 показатели степени. Кинетический анализ показал, что наибольшая скорость протекания реакции соответствует зоне Б. Было выявлено, что при выплавке чугуна при нагреве до температур, соответствующих зоне Б, целесообразна присадка марганец-содержащей руды с целью замены марганец-содержащих ферросплавов. Были получены кинетические уравнения скорости процесса WMnO вида 2. Анализ этих уравнений показал, что скорости протекания реакций восстановления окислов марганца углеродом металла позволяют совместить процесс нагрева металла до температур термовременной обработки c восстановлением марганца из руды. Применение данной технологии позволяет на опытных плавках исключить из шихты марганец-содержащие ферросплавы.

Одной из важных задач индукционной плавки является получение низкосернистого чугуна.

Технологию десульфурации металла совместили с нагревом металла до температуры термовременной обработки. Был проведен кинетический анализ десульфурации чугуна. Структура кинетического уравнения аналогична 2. Кинетический анализ показал, что для достижения низких содержаний серы в чугуне 0,009 0,015 достаточно совместить технологии десульфурации металла с нагревом металла до температуры термовременной обработки.

Таким образом кинетический анализ процессов, протекающих в индукционных печах, показал, что для получения высококачественных чугунов необходимо процесс нагрева металла до температуры термовременной обработки совмещать с технологическим процессом десульфурации и восстановления окислов. Далее при оптимизации технологии плавки определили влияние режима плавки на поведение водорода, кислорода и стойкость футеровки печи. Изменение содержания водорода и кислорода по ходу плавки представлено на рис. 2. Снижение содержания водорода объясняется его удалением пузырями СО при термовременной обработке, а содержание кислорода раскислением металла.

Исследовали влияние термовременной обработки на газосодержание рис. 3. Снижение содержания N, H происходит, по-видимому, за счет удаления их пузырями СО из объема ванны при протекании реакции раскисления чугуна, а также восстановления углеродом оксидов футеровки и шлака. Кипение металла, сопровождающее эту реакцию, наблюдается визуально.

Анализ зависимости пригара кремния рис. 3 показал, что проведение выдержки свыше 10 минут нецелесообразно из-за разрушения футеровки печи. Таким образом, оптимальное время термовременной выдержки ограничивается 8 10 минутами. Рис. 2. Изменение содержания водорода 1 и кислорода 2 в ходе плавки. Рис. 3. Изменение содержания газов и скорости восстановления кремнезема футеровки в процессе проведения ТВО. Необходимо подчеркнуть, что ТВО расплава производится только при науглероживании стальной составляющей металлошихты.

В этой фазе плавки получается синтетический чугун, который обладает повышенными прочностными свойствами, что повышает стойкость изделий к разрыву падающей струей металла. Присадка во второй фазе плавки чугуносодержащей металлошихты боя изложниц и чушкового передельного чугуна, без режимов ТВО дополняет качество чугуна демпфирующими свойствами, т. к. при этом в чугун вносятся крупный спелевый и первичный графит передельного чугуна, который замешивается на расплаве, что повышает стойкость изделий против трещин.

Кроме того, при плавлении чугуносодержащей металлошихты образуется шлак, который обволакивает стенки тигля и служит своеобразным гарнисажем, защищающим тигель от разрушения при ТВО. Применение ТВО после присадки чугуносодержащей металлошихты ведет к интенсивному разрушению футеровки при протекании реакции восстановления кремнезема футеровки углеродом металла, что убедительно подтверждается данными химического анализа в таблице 1. Таблица 1 Изменение химического состава металла Температураперегрева металла, ОСВремя выдержки, мин. Химический состав, До выдержкиПосле выдержкиСSiCSi1430303,781,953,692,471430 303,842,043,722,71Необходимо отметить, что после присадки чугуносодержащей металлошихты содержание водорода рис. 2 можно объяснить недостаточно эффективной просушкой шихты перед завалкой в печь. Таким образом, термовременной обработкой 1495-1520С до 8 10 минут, удается стабилизировать содержание азота в металле и раскислить шлак с минимальным разрушением футеровки печи. Разработанные технологии позволили значительно повысить качество чугуна, тем самым обеспечить стойкость сменного сталеразливочного оборудования на уровне лучших мировых показателей.

Лубяной Д.А. Ресурсосберегающая металлургическая технология производства чугуна в индукционных печах статья с сайта www.synerg.nkc.ru