2.2.Распределение и движение газов и шихты в доменной печи
2.2.1.Газовый поток
Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь, и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты.
Газы в доменной печи движутся через столб шихты снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24–26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта – в равной мере нагретой и восстановленной.
Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата.
В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.
Наиболее важным показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.
2.2.2. Распределение материалов на колошнике при загрузке доменной печи
15
Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси – больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром.
По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры.
Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы на колошник подают специальными тележками – скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую – железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.
2.2.3.Движение шихты в доменной печи
Вдоменной печи шихта опускается под действием своей массы в пространство, освобождающееся в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. До 44–52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11–16 % – на прямое восстановление, 25–35 % – на плавление чугуна и шлака и 5–15 % – на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно
16
уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты.
Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты
впериферийном кольце колошника составляет 90–140, а в центре 70–120 мм/мин. Длительность пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре.
Повышение скорости схода шихты на периферии колошника объясняется и другими причинами, главными из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии.
Врезультате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят
вгорн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.
2.3.Восстановление оксидов металлов
2.3.1.Физико-химические основы восстановительных процессов
Одним из условий получения чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых входят в состав чугуна. Процесс отнятия кислорода от оксида и получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода называется восстановлением. Наряду с восстановлением протекает окисление вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем.
Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Химическая прочность оксида определяется силами химической связи данного элемента с кислородом.
2.3.2. Восстановление оксидов железа оксидом углерода
17
По степени убывания кислорода оксиды железа располагаются в ряд: Fе2Оз, Fе3O4 и FеО, содержащие соответственно 30,06; 27,64 и 22,28 % кислорода. Из трех оксидов железа, взятых в свободном состоянии, наиболее прочным в условиях рабочего пространства доменной печи, а точнее при температуре выше 570 °С является FеО. Восстановление железа из его оксидов протекает ступенчато путем последовательного удаления кислорода
ив зависимости от температуры может быть изображено двумя схемами:
-при температуре выше 570 °С Fе2О3 → Fе3О4→ FеО→ Fе;
-при температуре ниже 570 °С Fе2О3 →Fе3O4 → Fе.
Ниже 570 °С прочность FеО становится меньше прочности Fe3O4 и FеО превращается в Fе3О4 и Fе.
В доменной печи восстановление железа из его оксидов протекает в основном по первой схеме, так как уже через несколько минут после загрузки материалов на колошник они нагреваются до температуры выше 570 °С. Большая часть кислорода, связанного в оксиды железа, отбирается оксидом углерода, поэтому основным восстановителем в доменной печи является оксид углерода.
Восстановление оксидов железа оксидом углерода при температуре выше 570 °С идет по реакциям:
3Fе2О3 + СО → 2Fе3О4 + СО2 + 37,137 МДж; Fе2О3 + mСО →3FеО + (m – 1)СО + CО2 –_20,892 МДж;
FеО + nСО →Fе + (n – 1)СО + СО2 + 13,607 МДж.
2.4.Образование чугуна и шлака
2.4.1.Науглероживание железа
Восстановленное в доменной печи из руды железо поглощает углерод и другие элементы, образуя чугун. Процесс науглероживания железа начинается с момента его появления в виде твердой губки в зоне умеренных температур. Механизм науглероживания железа сводится к следующему. Свежевосстановленное железо служит катализатором реакций разложения оксида углерода на сажистый углерод и диоксид углерода. Эта реакция протекает на поверхности губки. Обладая повышенной химической активностью, сажистый углерод взаимодействует с атомами железа и образует карбиды железа. Науглероживание губчатого железа заметно протекает уже при 400–500 °С. По мере науглероживания железа температура его плавления понижается. Если чистое железо плавится при 1539 °С, то сплав железа с углеродом, содержащий 4,3 % углерода, плавится при 1135 °С. Однако науглероживание железа в твердом состоянии является лишь
18
начальной стадией этого процесса, способствующей понижению температуры плавления металла. Более интенсивно науглероживание протекает после перехода металла в жидкое состояние. Капли металла, стекая в горн печи, контактируют на поверхности кусков раскаленного кокса с углеродом, в результате чего содержание углерода в сплаве резко возрастает. На горизонте фурм за пределами зон горения содержание углерода в чугуне достигает 3,8–4,0 %. Окончательное науглероживание металла происходит в горне печи.
Переход в чугун других элементов (марганца, кремния, фосфора и серы) осуществляется по мере их восстановления на различных горизонтах рабочего пространства печи. Марганец при выплавке передельного чугуна заметно переходит в металл уже в распаре, однако наиболее интенсивное насыщение чугуна марганцем происходит в заплечиках и горне при восстановлении марганца. Основная масса кремния переходит в чугун в нижней части заплечиков и в горне. Содержание фосфора в пробах металла из распара почти такое же, как и в конечном чугуне, а иногда и выше. Это объясняется тем, что в металл из распара попадает не только фосфор, который восстановился здесь и выше, но и фосфор, возгоняющийся из нижних горизонтов печи. Фосфор начинает переходить в металл уже в нижней части шахты.
Окончательное содержание углерода в чугуне не поддается регулированию и зависит от элементов в сплаве. Марганец и хром, являясь карбидообразующими элементами, способствуют увеличению углерода в чугуне. Кремний и фосфор, образуя более прочные с железом соединения, разрушают карбиды железа и понижают содержание углерода в чугуне. Если в передельном маломарганцовистом чугуне содержится 4–4,6 % углерода, то в зеркальном чугуне, содержащем 10–25 % марганца, углерода содержится 5–5,5 %, а в 75 %-ном ферромарганце содержание углерода достигает 7–7,5 %. Наоборот, в литейном чугуне, содержащем 2,5 % кремния, содержание углерода не превышает 3,5 %, а в ферросилиции содержание углерода понижается до 2 % и ниже.
Содержание марганца и кремния сильно влияет на структуру чугуна, что имеет очень важное значение при производстве литейного чугуна, используемого в машиностроении. Известно, что углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде карбида и в свободном состоянии в виде графита. В литейном чугуне благодаря повышенному содержанию кремния значительная часть углерода находится в виде графита, что способствует повышению прочности отливок. В изломе такой чугун имеет серый цвет. Увеличение содержания карбидов железа в чугуне повышает его хрупкость. В изломе такой чугун имеет белый цвет. Качество
19