Доменная плавка с использованием технологии вдувания пут: история и современность 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Доменная плавка с использованием технологии вдувания пут: история и современность



 

В древности железо получали в специальных очагах (горнах). Горн выкладывали из камней, в него загружали руду и древесный уголь. Для горения угля мехами вдували воздух. Образующаяся при горении окись углерода и углерод угля восстанавливали руду. Часть окислов железа восстанавливалась до закиси FeO и вступала в реакцию с окислами пустой породы, особенно с кремнеземом, образуя жидкий железистый шлак.

Зерна железа, полученные в результате восстановления его окислов, сваривались в рыхлую губчатую массу, называемую крицей. Эту крицу проковывали, выжимая из ее пор полужидкий шлак. Металл, полученный этим способом, назывался сыродутным. До XIII в. железо и сталь производились только этим способом. В сыродутном способе благодаря невысоким температурам в горне, небольшому времени пребывания железа в контакте с углем и особенно взаимодействию железа с железистыми шлаками получалось непосредственно мягкое малоуглеродистое железо [12].

Постепенно совершенствуя сыродутный горн, стали строить невысокие шахтные сыродутные печи - домницы.

Увеличение высоты домницы и усиление воздуходувных средств привели к удлинению контакта железа с углеродом и к росту температуры процесса. Восстановленный металл плавился и стекал вниз по кускам угля, растворяя углерод последнего и превращаясь в чугун.

Для доменного процесса характерны хорошие восстановительные условия в доменной печи, а также отделение восстановленного железа в виде расплава чугуна от окислов пустой породы руды, образующих шлаковый расплав, не смешивающийся с металлическим. Эти характерные особенности доменного процесса обеспечивают высокое извлечение железа из руды.

С ростом потребности в металле, развитием энергетических и технических возможностей постепенно увеличивалась высота и поперечные размеры доменных печей. При этом соответственно возрастал их полезный объем. Русские доменщики два столетия тому назад создали наиболее мощные и совершенные по тому времени доменные печи. В России впервые была построена доменная печь с круглым поперечным сечением всех элементов профиля: ранее домницы и доменные печи были квадратного сечения [13].

Русские доменщики первые применили подачу дутья через две, и более фурм. Изобретатель паровой машины Иван Ползунов в 1765 г. предложил цилиндрические мехи, опередив на четыре года англичанина Смитона.

Иностранный исследователь Л. Бек так описывал уральские доменные печи XVIII в.:

«Сибирские домны - величайшие и лучшие древесноугольные доменные печи, которые были до тех пор построены… они были с мощными цилиндрическими воздуходувками с водяным приводом. Сибирские домны имели от I0.5 до 15,0 м в высоту и от 3,6 до 3,9 м в поперечнике, в распаре; плели 6 цилиндрических воздуходувных мехов и производили от 100 до 150 т чугуна в неделю, каковая мощность тогда не была достижима даже для величайших английских коксовых домен» [14].

В 1735 г. в качестве горючего для доменной плавки впервые был применен кокс. Замена древесного угля коксом расширила сырьевые возможности и позволила увеличить производительность доменных печей. С этого времени доменное производство развивается особенно быстро. В дальнейшем производительность печей увеличилась в несколько раз благодаря применению (с 1829 г.) подогретого дутья.

Доменная плавка - это основной способ переработки природного железорудного сырья с получением чугуна (иногда ферросплавов и лигатур). Доменная плавка была освоена ещё в XIV в., и с тех пор уже в течение более 500 лет её технология практически не менялась [15].

Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов и получении расплавленного науглероженного металла (чугуна) и шлака, которые легко отделяются друг от друга вследствие различия в плотностях (плотность чугуна примерно в 2.5 раза превышает плотность шлака). Выплавка чугуна из железорудных материалов производится в доменных печах. В любой момент времени доменная печь заполнена железосодержащими материалами: твёрдыми (в шахте, распаре и на колошнике), размягчёнными (в заплечиках, распаре и нижней части шахты), жидкими (в горне и металлоприёмнике) и коксом, который остаётся твёрдым во всём объёме печи. В нижней части печи кокс формирует своеобразную насадку, которая обеспечивает необходимый газодинамический режим плавки, полноту протекания процессов восстановления железа и науглероживания металла. В горне печи имеются отверстия для выпуска жидких продуктов плавки (лётки) и для ввода во внутреннее пространство печи дутья (фурмы). Доменное дутьё представляет собой воздух (иногда обогащённый кислородом), нагретый до 1000-1350°C, с топливно-восстановительными добавками (природный газ, угольная пыль, мазут и т.п.). В горне печи формируется окислительная зона, где горят кокс и топливно-восстановительные добавки, в результате чего получается газ, состоящий из азота, оксида углерода и водорода. В окислительной зоне самый высокий уровень температуры (2000-2500°C) в печи. Образовавшийся в окислительной зоне газ поднимается вверх; по мере продвижения его температура, количество и состав изменяются. Больше всего к нему добавляется оксида углерода, образующегося в результате реакций восстановления оксидов железа, кремния, фосфора, марганца и других элементов углеродом коксовой насадки. Состав газа, меняется, прежде всего, вследствие протекания реакций восстановления - оксид углерода превращается в углекислый газ, а водород - в воду. Нагревая шихту, газ охлаждается до температуры 100-300°C. Шихтовые материалы загружают в печь периодически, и время их пребывания в печи составляет 5-8 ч. По мере освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железной руды шихтовые материалы опускаются вниз, постепенно нагреваясь от поднимающихся вверх газов. При этом из них испаряется влага, происходит разложение карбонатов и восстановление оксидов железа оксидом углерода и водородом. При температуре около 1200°C начинается размягчение, а затем плавление материалов с образованием чугуна и шлака. Шлак получается из пустой породы железорудных материалов, золы кокса и флюса (если он используется при плавке); шлак является главным регулятором химического состава чугуна. Состав чугуна формируется в процессе стекания капель металлического расплава по коксовой насадке и взаимодействия со шлаком. Температура чугуна на выпуске составляет обычно 1380-1420°C, шлака - 1450-1500°C. Жидкие продукты плавки выпускают из печи периодически (по мере накопления) [16].

Современная доменная печь, служащая для выплавки чугуна, представляет собой шахтную печь. Вертикальное сечение рабочего пространства ее называется профилем печи и представлено на рисунке 1.1. Верхняя цилиндрическая часть доменной печи, служащая для приема плавильных материалов и отвода газов, называется колошником. Наибольшая по высоте коническая часть печи называется шахтой. Расширение шахты книзу облегчает опускание материалов и улучшает распределение газов по поперечному сечению печи. Цилиндрическая часть, соединяющая основание шахты с нижним конусом печи, называется распаром. Часть печи в виде усеченного конуса с меньшим нижним основанием, расположенная ниже распара, называется заплечиками. Форма заплечиков соответствует резкому сокращению объема шихтовых материалов в результате образования жидких продуктов плавки. Нижняя цилиндрическая часть печи, в верхней части которой сгорает кокс, а в нижней собираются продукты плавки - чугун и шлак, называется горном [12].

 

 

Рисунок 1.1 - Профиль доменной печи:

Доменная печь: 1 - защитные сегменты колошника; 2 - большой конус; 3 - приёмная воронка; 4 - малый конус; 5 - распределитель шихты; 6 - воронка большого конуса; 7 - наклонный мост; 8 - скип; 9 - воздушная фурма; 10 - чугунная лётка; 11 - шлаковая лётка.

 

Объем доменной печи, занятый плавильными материалами и продуктами плавки, называется полезным, а высота от лещади до верхнего уровня плавильных материалов на колошнике - полезной высотой доменной печи.

Технология доменной плавки с использованием пылеугольного топлива известна с 1831 г. Промышленное применение технологии вдувания ПУТ началось лишь в середине XX века, а широкое распространение данная технология получила в 80-е годы XX века. Затяжной период освоения технологии ПУТ можно объяснить необходимостью разработки сложного и дорогостоящего оборудования для подготовки и вдувания ПУТ, а также успешной конкуренцией со стороны мазута и природного газа.

Первый патент на вдувание измельчённого твёрдого топлива в доменную печь через фурмы выдан в Англии, в 1831 г., аналогичный патент выдан в Германии в 1877 г. Данные о начале практического применения ПУТ разнятся: по одним источникам первые попытки вдувания были предприняты в 1840 г., по другим первое вдувание измельчённого угля в шахтную печь было осуществлено в Канаде при плавке черновой меди в 1911 г. [1].

Масштабные экспериментальные работы по вдуванию ПУТ начались в 50…60-е годы ХХ века в США. В то время мазут выполнял ведущую роль в технологии вдувания топлива.

В 1955 г. в СССР на металлургическом заводе им. Дзержинского были проведены опыты по вдуванию угольной пыли через фурму в доменную печь объёмом 427 м3 при выплавке ферросилиция. Эти опыты положили начало исследованиям доменного процесса с применением пылевидного топлива на промышленных доменных печах СССР.

Только после энергетического кризиса в 70-е годы обратили внимание на уголь как на более разумную экономическую альтернативу. Применяемая в 70-х годах ХХ века практика вдувания мазута и других производных нефти обеспечивала расход кокса на уровне 400 кг/т чугуна. Второй нефтяной кризис заставил отказаться от вдувания жидких агентов и резко увеличил потребление кокса.

-е годы стали периодом быстрого роста строительства установок по вдуванию ПУТ в мире, в основном в Европе и Азии. В Северной Америке популярным стало вдувание природного газа совместно с другими видами жидкого и твёрдого топлива. К концу 80-х вдувание ПУТ значительно потеснило другие виды топлива и в США.

Вследствие противоположной направленности воздействия процессов вдувания ПУТ и природного газа на ход доменной печи стало очевидным совместить вдувание этих видов топлива для более мягкого влияния на ход печи.

К настоящему времени в результате совершенствования технология вдувания ПУТ нашла широкое практическое применение. Использование технологии вдувания ПУТ позволяет снизить удельный расход кокса до 325-350 кг/т чугуна. Лидером по удельному расходу ПУТ являются Нидерланды.

Параллельно сокращению расхода кокса при вдувании больших количеств ПУТ, прежде всего, возрастают требования к качеству кокса, поскольку кокс является единственным твёрдым материалом ниже зоны когезии доменной печи и расходуется здесь с более медленной скоростью, т.е. подвергается более длительному воздействию высоких температур и веса столба шихты. В связи с этим кокс должен быть более прочным физически и устойчивым к химическому воздействию, чтобы обеспечить высокую газопроницаемость шихты.

Показатель прочности кокса после взаимодействия с углекислым газом (CSR - coke stretch reactivity) в значительной степени зависит от химического состава золы, который влияет на реакционную способность кокса. Состав доменного шлака также оказывает влияние на эффективность вдувания ПУТ - исследователями обнаружен значительный сдерживающий эффект увеличения потерь давления, возникающий в результате использования железорудного сырья с низким содержанием Al2O3.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2020-03-26; просмотров: 285; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 34.201.37.128 (0.03 с.)