Содержание
Основные физико-химические процессы доменной плавки
Доменная плавка ⎻ это сложный технологический процесс, который включает в себя ряд физических и химических превращений, происходящих в шахтной печи. В основе этого процесса лежит восстановление железа из руды, а также плавка и образование чугуна и шлака.
Подготовка шихтовых материалов
Перед тем, как шихтовые материалы попадут в доменную печь, они проходят тщательную подготовку. Это важный этап, который оказывает значительное влияние на эффективность всего процесса плавки. Основные задачи подготовки шихтовых материалов заключаются в следующем⁚
- Измельчение и дробление руды. Железная руда, поступающая на завод, обычно имеет крупную фракцию. Для обеспечения равномерного распределения в печи и более эффективного восстановления железа, руду измельчают до определенного размера. Дробление и измельчение проводят с помощью дробилок, мельниц и других устройств.
- Обогащение руды. Железная руда, как правило, содержит примеси (пустую породу, глину, песок), которые не участвуют в процессе плавки и могут даже мешать ему. Для повышения содержания железа в руде ее обогащают. Обогащение может быть осуществлено различными методами, такими как магнитная сепарация, флотация, гравитационное обогащение.
- Подготовка кокса. Кокс ⎻ это основной восстановитель в доменной печи. Он должен быть высококачественным, с определенными физико-химическими свойствами. Подготовка кокса заключается в его сортировке по размеру, увлажнении для предотвращения пыли и укладке в бункеры.
- Подготовка флюсов. Флюсы ⎻ это материалы, которые добавляют в шихту для регулирования состава шлака. Флюсы способствуют удалению примесей из чугуна, снижают температуру плавления шлака и повышают его текучесть. В качестве флюсов используют известняк, доломит, известковый шлак.
- Смешивание шихтовых материалов. Перед загрузкой в печь шихтовые материалы (руда, кокс, флюсы) смешивают в определенных пропорциях. Это позволяет обеспечить равномерное распределение материалов в печи и создать оптимальные условия для протекания химических реакций.
Правильная подготовка шихтовых материалов – это залог успешного проведения доменной плавки. Она позволяет оптимизировать расход материалов, повысить качество чугуна и снизить потери железа.
Процессы в печи
Доменная печь ― это вертикальная шахтная печь, в которой происходят сложные физико-химические процессы. Они протекают в определенной последовательности и взаимосвязаны, обеспечивая восстановление железа из руды, плавку и образование чугуна и шлака. В печи можно выделить несколько зон, в каждой из которых преобладают свои процессы.
В верхней части печи, в зоне загрузки, шихтовые материалы (руда, кокс, флюсы) поступают в печь. Здесь происходит нагрев шихты горячими газами, выходящими из печи. В этой зоне также происходит частичное восстановление железа из руды.
В средней части печи, в зоне восстановления, происходит основное восстановление железа. Здесь кокс горит, выделяя угарный газ (СО), который взаимодействует с оксидами железа в руде, восстанавливая их до металлического железа.
В нижней части печи, в зоне плавки, происходит плавление железа и шлака. Расплавленное железо скапливается в низу печи, а шлак, который содержит примеси, плавает на поверхности железа.
В печи также происходят процессы перегрева и охлаждения, которые влияют на скорость и эффективность плавки.
Все эти процессы тесно взаимосвязаны и влияют друг на друга. Регулируя температуру, состав шихты, скорость загрузки и другие параметры, можно управлять процессом плавки и получать чугун с заданными свойствами.
2.1. Горячий дутье
Горячий дутье ⎻ это один из ключевых элементов доменной плавки, который играет важную роль в обеспечении высокой эффективности процесса. Дутье ⎻ это поток воздуха, который подается в доменную печь через фурмы, расположенные в нижней части печи. Горячий дутье ⎻ это воздух, нагретый до высокой температуры (около 1200-1500°C) перед подачей в печь.
Нагрев дутья до высокой температуры имеет ряд преимуществ⁚
- Повышение температуры в печи. Горячий воздух обеспечивает более интенсивное горение кокса, что приводит к повышению температуры в печи. Это, в свою очередь, ускоряет процессы восстановления железа и плавления шихты.
- Увеличение производительности печи. Повышенная температура в печи позволяет увеличить скорость плавки, что приводит к росту производительности доменной печи.
- Снижение расхода кокса. Горячий дутье позволяет уменьшить расход кокса, так как он горит более эффективно при высокой температуре.
- Улучшение качества чугуна. Горячий дутье способствует более полному восстановлению железа из руды, что позволяет получить чугун с более низким содержанием примесей.
Нагрев дутья осуществляется в специальных устройствах ― дутьевых печах. В дутьевых печах воздух нагревается за счет сжигания топлива (кокса, мазута, природного газа).
2.2. Восстановление железа
Восстановление железа ⎻ это ключевой химический процесс, лежащий в основе доменной плавки. Он заключается в удалении кислорода из железной руды, в результате чего образуется металлическое железо. Этот процесс происходит в шахтной печи, где шихтовые материалы (железная руда, кокс, флюсы) последовательно проходят через зоны с различными температурами и составами газов.
Восстановление железа происходит в несколько этапов, каждый из которых характеризуется определенными температурами и химическими реакциями⁚
- Первый этап ― это восстановление оксидов железа до закиси железа (FeO) при температуре около 600-700°C. Этот процесс осуществляется в верхней части печи, где концентрация угарного газа (CO) высока.
- Второй этап ⎻ это восстановление закиси железа до металлического железа (Fe) при температуре около 900-1000°C. Этот процесс происходит в средней части печи, где концентрация угарного газа снижается, а концентрация водорода (H2) возрастает.
- Третий этап ― это плавка и образование чугуна. Металлическое железо, полученное в результате восстановления, плавится при температуре около 1500°C и образует чугун.
Восстановление железа ― это сложный процесс, зависящий от многих факторов, таких как температура, состав шихтовых материалов, скорость подачи дутья и др. Для оптимизации процесса восстановления используются различные технологические приемы, например, добавление в шихту специальных флюсов, которые способствуют более полному восстановлению железа.
2.3. Плавка и образование чугуна
Плавка и образование чугуна ― это завершающий этап доменной плавки, который происходит в нижней части печи, где температура достигает 1500-1600°C. В этой зоне металлическое железо, полученное в результате восстановления, плавится и взаимодействует с углеродом, содержащимся в коксе, образуя чугун.
Чугун ― это сплав железа с углеродом, который содержит также кремний, марганец, фосфор и серу. Соотношение этих элементов в чугуне определяет его свойства и применение.
В процессе плавки чугуна также образуется шлак. Шлак ― это расплавленный оксид кремния, алюминия, кальция и других элементов, который плавает на поверхности чугуна. Шлак служит для удаления из чугуна ненужных примесей и защиты его от окисления.
Процесс плавки чугуна ― это сложный процесс, который зависит от многих факторов, таких как температура, состав шихтовых материалов, скорость подачи дутья и др. Для оптимизации процесса плавки чугуна используются различные технологические приемы, например, добавление в шихту специальных флюсов, которые способствуют более полному удалению примесей из чугуна.