Доменный процесс как пишется

ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

ДОМЕННЫЙ ФЕРРОМАРГАНЕЦ →← ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС

1. Производства чугуна из железной руды.
2. Последующей переработки чугуна в сталь.
3. Выплавки таких металлов как свинец или медь, имеющих сравнительно небольшую температуру плавления.

Быстрое горение поддерживается потоком воздуха, который подаётся под давлением.

Исходное сырье

Доменные печи производят чугун из железной руды за счет восстанавливающего действия углерода (подаваемого в виде кокса) при высокой температуре в присутствии флюс, например известняк.

Для производства передельного чугуна, а также для выплавки первичной стали в доменной печи используется три вида основного сырья:

1. Предварительно подготовленная на агломерационной фабрике железная руда.
2. Кокс – твёрдое вещество, которое осталось после нагревания угля в отсутствие воздуха. Кокс обычно содержит до 90% углерода.
3. Известняк (CaCO₃) или негашеная известь (CaO), которые периодически должны добавляться в доменную печь.

Для эффективной реализации доменного процесса при производстве чугуна требуется руда с содержанием железа не менее 50%. Однако на практике часто приходится иметь дело с так называемыми «бедными» рудами. Поскольку стоимость транспортировки железной руды достаточно велика, то она перед отправкой проходит операции, называемые обогащением. Технология обогащения включает следующие переходы:

1. Дробление.
2. Обработку на грохотах – промышленном просеивающем оборудовании, которое разделяет фракции руды.
3. Галтовку – придание руде вида геометрически соразмерных кусков.
4. Флотацию – водную очистку от механических примесей, которая использует разность в показателях плотности компонентов.
5. Магнитную сепарацию – отделение немагнитных примесей.

С помощью этих процессов очищенная руда обогащается до более чем 60% железа и перед отправкой обычно превращается в окатыши.

В составе исходного сырья обязательно присутствует ряд химических элементов. Главным среди них является углерод, который обеспечивает последующее повышение механических характеристик металла путем термообработки. Для производства стали требуется относительно небольшое количество углерода: до 0,25% для низкоуглеродистой стали, 0,25…0,50% для среднеуглеродистой стали и 0,50–1,25% для высокоуглеродистой стали. Сталь может содержать до 2% углерода, а сверх этого количества речь может идти уже только о чугуне, где избыток углерода образует графит.

В небольших количествах (0,03…1,0 %) при выплавке металла в домне используется марганец, который предназначается для удаления нежелательного кислорода и контроля содержания серы. Её трудно удалить из стали, а форма, которую она там принимает (сульфид железа, FeS), придаёт металлу хрупкость, являющуюся следствием роста размеров зёрен в структуре. Крупнозернистый металл ухудшает его ковкость и прокатку, особенно в условиях повышенных температур. Содержание серы в сталях обычно не превышает 0,05%.

Нежелательным компонентом любого вида сырья для домны является фосфор. Обычно его количество не превышает 0,04%, но он имеет тенденцию растворяться в чугуне, немного увеличивая прочность и твердость сплава.

В зависимости от условий дальнейшего применения в качестве сырья доменное производство использует легирующие добавки таких металлов, как хром, молибден, никель, алюминий, кобальт, вольфрам, ванадий и титан. Часто в состав сырья включают неметаллы, например, бор и/или кремний.

Сущность процесса в доменной печи

Исходное сырьё (шихта из железосодержащих материалов, например, железорудных окатышей и агломерата), кокс и флюсы (например, известняк) спускается по шахте, где она предварительно нагревается и вступает в реакцию с восходящими восстановительными газами. Образуется жидкий расплав железа и шлаков, которые скапливаются в очаге.

Воздух, предварительно нагретый до температур от 900 ° до 1250 °C, вместе с впрыскиваемым топливом, например, нефтью или природным газом, вдувается в печь через несколько фурм (форсунок), которые расположены по окружности топки у верха очага. Количество таких форсунок может быть от 12 до 40 (на доменных печах большой мощности).

Предварительно нагретый воздух, в свою очередь, подается из нагнетательной трубы большого диаметра, которая окружает топку. Предварительно нагретый воздух бурно реагирует с горячим коксом, что приводит как к образованию восстановительного газа (монооксида углерода), который поднимается через печь, так и к очень высокой температуре около 1650 ° C, при которой происходит образование жидкого железа и шлаков.

Физико-химические основы процесса

Производство металла в доменной печи представляет собой процесс тепломассообмена, поэтому печь может быть разделена на различные зоны в соответствии с физическим и химическим состоянием сырья и температурой. В соответствии с каждым температурным интервалом будут происходить определённые реакции.

Нисходящая шихта сушится и предварительно нагревается во время спуска восходящим газом. Предварительно нагретый воздух вдувается в печь через фурмы в нижней части печи. Кислород вступает в реакцию с углеродом кокса, образуя окись углерода, а водный пар, содержащийся в дутье, реагирует с углеродом, образуя окись углерода и водорода.

Азот в дутье действует как дополнительный теплоноситель (вместе с CO, CO₂ и H₂). Температура адиабатического пламени в пространстве сгорания перед фурмами составляет около 2100…2300 °C. Восходящий горячий газ нагревает чугун и шлак, которые постепенно собираются в топке ниже уровня фурмы и выпускаются через определённые промежутки времени. Восходящий газ проходит через зону когезии, где железо и шлак размягчаются, разделяются и плавятся. Фаза шлака содержит некоторое количество невосстановленного оксида железа FeO.

Над зоной когезии газ нагревает шихту. Оксид углерода и водород восстанавливают оксид железа опосредованно, в виде реакций газ-твёрдое тело, при этом образуются восстановительные газы.

Эти реакции ослабевают, когда температура газа опускается ниже 900 °C. Реакции восстановления, увеличения содержания СО₂ и охлаждения газа продолжаются по мере его подъёма. Оставшееся теплосодержание газа используется для сушки и предварительного нагрева шихты перед тем, как газ покинет верх печи при температуре 100…300 ° C. Верхний газ по-прежнему является ценным топливом с более низкой теплотворной способностью 3–4 МДж / Нм³.

После относительно быстрого нагрева примерно до 900 ° C, загрузка достигает зоны химического резерва, где разница температур между газом и твёрдым телом составляет около 50 °C. Примерно при 1000…1100 °C (в зависимости от химического состава железной шихты и степени восстановления) нагрузка попадает в зону когезии. Оксиды железа восстанавливаются до металлического Fe, одновременно происходит отделение железа и шлака. Металлическое железо насыщается углеродом в коксе и газе CO и плавится при 1200…1300 °C. Расплавленное железо и шлак стекают через слой кокса к поду, где достигают своей конечной температуры и состава.

Конструкция доменной печи

Печи, где происходит доменная плавка, состоят из нескольких зон:

• Пода в виде тигля в нижней части печи;
• Промежуточной зоны, называемая чушкой, которая располагается между подом и штабелем;
• Вертикальной шахты (штабеля), идущей от чушки до верха печи;
• Верхней части, которая содержит механизм загрузки печи.

Важно: практическая удельная производительность доменной печи находится в пределах 1300…2300 кг металла с 1 м³
объёма печи за сутки её непрерывной работы.

Фраза «доменный процесс»

Фраза состоит из двух слов и 15 букв без пробелов.

Комментарии

1

Определение: основной способ переработки природного железорудного сырья с получением чугуна (иногда ферросплавов и лигатур). Доменная плавка как процесс и доменная печь как агрегат сформировались в конце раннего Средневековья и уже в течение более 500 лет не изменяют своей сущности, сохраняя следующие технические и технологические особенности:

• шахтный принцип конструкции;
• непрерывный характер процесса;
• противоточное движение шихты и газа;
• наличие в одном агрегате зон твердого, пластичного и жидкого состояния.

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).

В любой момент времени доменная печь заполнена железосодержащими материалами: твердыми (в шахте, распаре и на колошнике), размягченными (в заплечиках, распаре и нижней части шахты), жидкими (в горне и металлоприемнике) и коксом, который остается твердым во всем объеме 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 располагаются отверстия для выпуска жидких продуктов плавки (летки) и для ввода во внутреннее пространство печи дутья (фурмы). Доменное дутье в общем случае представляет собой воздух (иногда обогащенный кислородом), нагретый до 1000-1350°С, и топливно-восстановительные добавки — природный газ, пылеугольное топливо (ПУТ), мазут и т.п., которые подаются в печь под давлением до 500 кПа (изб.). В горне печи формируется окислительная зона, в которой происходят реакции горения кокса и топливно-восстановительных добавок к дутью, в результате чего получается газ, состоящий из азота, оксида углерода и водорода. В окислительной зоне достигается самый высокий в печи уровень температур (2000-2500°С). Образовавшийся в окислительной зоне газ направляется вверх навстречу опускающимся шихтовым материалам и проходит печь в течение 3-12 сек. По мере продвижения газа наверх печи его температура, количество и состав изменяются. В наиболее значительном количестве к газу добавляется оксид углерода, образующийся в результате реакций восстановления оксидов железа, кремния, фосфора, марганца и др. элементов углеродом коксовой насадки. Состав газа меняется прежде всего вследствие протекания реакций восстановления, в результате чего СО превращается в СО₂, а Н₂ – в Н₂О. Нагревая шихту, газ охлаждается до температуры 100-300°С.

Выходящий из доменной печи газ является важным энергетическим сырьем, применяемым в различных металлургических печах и ТЭС.

Опускание шихтовых материалов происходит вследствие освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса у фурм, плавления железорудных материалов и естественной «уминки» шихты.

Шихтовые материалы загружаются в доменную печь периодически и время их пребывания в печи составляет 5-8 часов. Воспринимая тепло от газов, шихтовые материалы постепенно нагреваются, при этом протекают процессы удаления влаги, разложения карбонатов и восстановления оксидов железа оксидом углерода и водородом.

При температурах около 1200°С начинается размягчение, а затем плавление материалов с образованием чугуна и шлака. Шлак формируется из пустой породы железорудных материалов, золы кокса и флюса (если он используется при плавке), он является главным регулятором химического состава чугуна.

Формирование состава чугуна происходит в процессе стекания капель металлического расплава по коксовой насадке и взаимодействия со шлаком. Температура чугуна на выпуске составляет обычно 1380-1420°С, шлака – 1450-1500°С.

Жидкие продукты плавки выпускают из печи периодически (по мере накопления). Доменная печь является одним из наиболее эффективных материалосберегающих агрегатов; коэффициент извлечения железа в чугун составляет 99,5-99,8 %.

Доменная печь занимает головное положение в структуре металлургического предприятия. Качество производимого в доменной плавке чугуна определяет параметры последующего сталеплавильного передела, доменный газ служит основой энергетического хозяйства предприятия, в доменной печи утилизируется (через агломерационное производство) большая часть собственных отходов металлургического производства. Доменное производство является практически безотходным, т.к. доменный шлак представляет собой самостоятельную готовую продукцию, пользующуюся спросом не меньшим, чем чугун, а доменные шламы и пыли являются постоянным компонентом шихты агломерационного процесса.

До́менный проце́сс (доменная плавка) — процесс получения чугуна в доменной печи^[1][2].

Представляет собой совокупность ряда самостоятельных физикохимических явлений, к которым относятся процессы восстановления оксидов и сложных соединений, разложения гидратов и солей, горения твёрдого, жидкого и газообразного горючего, твердофазные и гетерогенные химические реакции, теплообмен, движение твёрдых, жидких и газообразных составляющих и др.^[1]

История

Плавку железа в древности производили в ямах — горнах, обмазанных глиной или выложенных камнем. В горн загружали дрова и древесный уголь. Через отверстие в нижней части горна нагнетали с помощью кожаных мехов воздух. На смесь древесного угля и дров засыпали измельчённую железную руду. Сгорание дров и угля проходило интенсивно, внутри горна достигалась относительно высокая температура. Благодаря взаимодействию угля и оксида углерода CO с оксидами железа руды железо восстанавливалось и в виде тестообразных кусков, загрязнённых золой и шлаком, накапливалось на дне горна. Такое железо называли сыродутным. Из него необходимо было удалить примеси прежде, чем приступить к изготовлению изделий. Разогретый металл ковали и на наковальне выжимали остатки шлака, примесей и др. Отдельные куски железа сваривали в единое целое. Такой способ существовал вплоть до XII—XIII веков. Когда стали использовать энергию падающей воды и приводить в движение меха механическим способом, удалось увеличить объём воздуха, подаваемого в горн. Горн сделали больше, стенки его выросли из земли, он стал прообразом доменной печи — домницей. Домницы имели высоту в несколько метров и сужались кверху. Сначала они были квадратными, потом стали круглыми. Подачу воздуха производили через несколько фурм. В нижней части домницы имелось отверстие, замазываемое глиной, через которое после окончания плавки вынимали готовое железо. Улучшение технологии плавки, обкладка стенок домницы природным огнеупорным камнем позволили значительно повысить температуру в горне. На дне печи образовывался жидкий сплав железа с углеродом — чугун. Сначала чугун считали отходом производства, так как он был хрупким. Позже заметили, что чугун обладает хорошими литейными свойствами и из него стали отливать пушки, ядра, архитектурные украшения^[3].

В начале XIV в. из чугуна научились получать ковкое железо, появился двухступенчатый способ производства металла. Куски чугуна переплавляли в небольших тиглях — горнах, в которых удавалось получать высокую температуру и создавать окислительные условия в области фурм. Благодаря окислению из чугуна выжигали большую часть углерода, марганца, кремния. На дне тигля собирался слой железной массы — крица. Масса была загрязнена остатками шлака. Её извлекали из тигля клещами или ломом и в разогретом состоянии подвергали ковке для выдавливания загрязнений и сваривания в один прочный кусок. Такие горны назывались кричными. Они обладали большей производительностью, чем сыродутные, и давали металл более высокого качества. Поэтому со временем получение сыродутного железа было прекращено. Выгоднее было получать железо из чугуна, чем непосредственно из руды. По мере улучшения качества железа возрастали и потребности в нём в сельском хозяйстве, военном деле, строительстве, промышленности. Возрастало производство чугуна, домницы увеличивались в размерах, постепенно превращаясь в доменные печи. В XIV веке высота доменных печей достигала 8 м^[4].

Ускоренное развитие металлургии началось после замены древесного угля коксом. Вырубка лесов для получения древесного угля привела к тому, что уже в XV в. в Англии было запрещено использовать древесный уголь в металлургии. Применение кокса не только решило проблему топлива, но и благоприятствовало росту производительности доменных печей. Благодаря повышенной прочности и хорошей теплотворной способности кокса стало возможным увеличение диаметра и высоты печей. В 1828 г. был выдан патент на применение в доменных печах подогретого воздуха. Эта мера позволила значительно снизить расход кокса, повысить производительность и температуру в горне печей^[5].

Сырьевые материалы

В качестве шихтовых материалов доменной плавки используются кокс, агломерат, окатыши, руда, известняк. Шихтовые материалы загружаются в доменную печь в кусках размером 40—60 мм. При использовании крупных кусков длительность протекания процессов восстановления и офлюсования увеличивается. Мелкие куски забивают проходы для газов и нарушают равномерное опускание материалов в доменной печи. Куски кокса, агломерата должны быть прочными, хорошо сопротивляться истиранию. Под действием веса столба шихты в шахте доменной печи непрочные материалы превращаются в мелочь и пыль, которые засоряют проходы между крупными кусками, ухудшая газопроницаемость столба шихты. Кокс и агломерат должны иметь достаточную пористость — это ускоряет сгорание топлива и восстановление оксидов железа. В шихтовых материалах должно быть минимальным содержание вредных примесей: фосфора, серы, мышьяка, свинца и др., которые переходят в состав чугуна, а из чугуна при его переработке — в сталь. Эти примеси отрицательно влияют на свойства готового металла^[6][7].

Также все шихтовые материалы должны иметь однородный химический состав, например постоянное содержание железа в агломерате, золы в коксе, извести в известняке и т. д. Колебания химического состава нарушают нормальный ход доменной печи, приводят к повышенному удельному расходу материалов. При прочих равных условиях производительность доменной печи повышается при повышении содержания железа в сырьё^[8].

Основные этапы

Начальная операция, являющаяся стартом кампании доменной печи, называется задувкой. Далее, при нормальном ходе доменной печи в результате сжигания топлива и кокса создаются высокие температуры, необходимые для протекания процессов восстановления оксидов железа и образования жидкого чугуна. Кроме чугуна, в доменной печи образуется жидкий шлак и доменный газ — попутные отходы производства. Шихтовые материалы загружают в печь периодически, время их пребывания в печи составляет 5-8 часов. По мере освобождения пространства в нижней части печи в результате сгорания кокса и плавления железорудного сырья столб шихты опускается вниз, постепенно нагреваясь от поднимающихся вверх газов^[9].

Горение топлива

Собственно работа доменной печи начинается с момента зажигания в ней топлива. Процесс горения топлива в доменной печи происходит в сферообразных пространствах перед воздушными фурмами в так называемых фурменных очагах и является одной из важнейших необходимых составляющих доменного процесса. Через фурмы доменной печи подают горячее воздушное дутьё при температуре 1000—1200 °С. Непосредственно перед фурмами печи происходит сгорание кокса, образуются окислительные зоны. Кокс в этих зонах сгорает во взвешенном состоянии. Вблизи фурм образуется полость, в которой происходит вихревое движение газов, приводящее к циркуляции кусков кокса. Куски кокса переносятся потоками воздуха от фурм, а на их место попадают раскалённые до 1500°С другие куски кокса и здесь сгорают. При сгорании развиваются температуры до 2000°С. Глубина зоны достигает 1500 мм. Вокруг зоны циркуляции располагается область, в газовой фазе которой содержится CO₂. Пространство перед фурмами, в котором происходит окисление углерода кокса кислородом дутья и CO₂, называется окислительной зоной. По мере удаления от фурм в условиях высокой температуры и избытка углерода CO₂ взаимодействует с углеродом и восстанавливается до CO. Если увеличивать давление дутья, повышать температуру и содержание кислорода в воздухе, то размеры окислительной зоны будут уменьшаться. Сгорание кокса происходит на поверхности кусков в результате контакта с окислительными газами^[10]. Суммарная реакция сгорания представлена уравнением

2C + O₂ = 2CO − 220500 Дж^[11].

Процесс горения топлива выполняет в доменной печи следующие функции:

Генерация подавляющего количества тепла, выделяющегося в объёме доменной печи, которое расходуется на:

• нагрев образующихся газов;
• нагрев газами продуктов плавки и шихтовых материалов;
• эндотермические химические реакции;
• нагрев охлаждающей воды системы охлаждения печи;
• потери тепла с отходящими колошниковыми газами;
• потери тепла через поверхность кожуха и других металлоконструкций доменной печи в окружающее пространство.

Генерация восстановительного газа, компонентами которого являются СО и H₂ и который осуществляет всю работу по восстановлению высших оксидов железа в шахте доменной печи до вюстита и основную работу по восстановлению вюстита до железа в гетерогенных процессах восстановления.

Освобождение пространства в горне печи, куда опускаются новые порции кокса, обеспечивая тем самым непрерывное движение всех шихтовых материалов сверху вниз.

Частичное окисление кислородом дутья элементов чугуна, значительная часть капель которого стекает из зоны когезии через фурменные зоны и отбрасывается к противоположной границе фурменной зоны. Сюда же отбрасываются и капли шлака, стекающего из зоны плавления над фурменными зонами. Образующиеся при окислении элементов чугуна оксиды металлов переходят в шлаки и полностью или частично восстанавливаются затем углеродом коксовой насадки или кремнием чугуна^[12].

Горение углерода топлива в фурменных очагах доменной печи принципиально отличается от горения топлива в любой другой печи наличием вокруг фурменных очагов плотного слоя кокса (коксового тотермана, или коксовой насадки) с температурой не менее 1300 °С, при которой появляющиеся в результате горения топлива окислители с высокой скоростью восстанавливаются углеродом кокса коксовой насадки^[13][14].

Удаление влаги и летучих веществ

Содержание физически адсорбированной или гигроскопической влаги в агломератах и окатышах зависит от климата, времени года и составляет от 0,2—0,5 до 1—2 %, в коксе (мокрого тушения) 1—4 %, в марганцевой руде иногда 5 % и более. Температура на колошнике доменной печи, куда попадают компоненты шихты, 200—400 °С, то есть значительно выше температуры кипения воды. Поэтому испарение гигроскопической влаги и удаление пара начинаются на верхних горизонтах печи сразу после нагрева кусков шихты до температуры колошника. Гидратная вода может попадать в доменную печь с бурожелезняковыми рудами или рудами, содержащими гидратную воду в пустой породе. Поскольку практически 100 % сырья для доменной плавки проходит термическую обработку, гидратной влагой можно пренебречь^[1][15].

Доля карбонатов, поступающих в доменную шихту с железными (FeCO₃) и марганцевыми (MnCO₃) рудами, невелика. Большое значение имеют флюсующие добавки к шихте — известняк или доломит (CaCO₃, CaCO₃•MgCO₃). В доменной печи разложение карбонатов протекает по реакциям:

• CaCO₃ = CaO + CO₂ − 178,5 МДж;
• MgCO₃ = MgO + CO₂ − 109,87 МДж;
• MnCO₃ = MnO + CO₂ − 96,35 МДж;
• FeCO₃ = FeO + CO₂ − 87,91 МДж^[16].

Восстановительные процессы

Основными восстановителями в доменном процессе являются углерод, монооксид углерода и водород. Элементы, попадающие с шихтой в доменную печь, в зависимости от их превращений в условиях доменной плавки можно разделить на практически полностью восстанавливающиеся (Fe, Ni, Со, Pb, Cu, Р, Zn); частично восстанавливающиеся (Si, Mn, Cr, V, Ti); не претерпевающие восстановления (Ca, Mg, Al, Ba)^[17][18].

Восстановление оксидов железа газами в доменной печи протекает по реакциям:

• 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂ + 37,25 МДж;
• Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂ − 20,96 МДж;
• FeO + CO = Fe + CO₂ + 13,65 МДж;
• 3Fe₂O₃+ H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O − 4,20 МДж;
• Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O − 62,41 МДж;
• FeO + H₂ = Fe + H₂O − 27,80 МДж^[19].

Формирование чугуна

Металлическое железо появляется в нижней части шахты печи и распаре. По мере опускания материалов в доменной печи и их дальнейшего нагрева железо растворяет в себе углерод в увеличивающемся количестве. При этом температура плавления его снижается, металл плавится и в виде капель стекает в горн. Окончательный состав чугуна формируется в горне печи^[20].

Можно выделить 4 стадии науглероживания железа в современной доменной печи.

Первая стадия — происходит выпадение сажистого углерода на поверхности свежевосстановленного железа по реакциям (t = 400—1000 °С):

• CO + H₂ = C_саж + H₂O;
• 2CO = C_саж + CO₂.

Все факторы, способствующие протеканию этих реакций, вызывают увеличение содержания углерода в чугуне (рост давления в печи, высокая восстановимость шихт, рост основности, повышение содержания водорода в газовой фазе и др.).
Вторая стадия связана с первой и характеризуется диффузией сажистого углерода в массу металлического железа (950—1150 °С):

• 3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂.

Третья стадия — плавление металла с содержанием примерно 2 % С при температуре выше 1150 °С и стекание капель по коксовой насадке с растворением углерода кокса в металле:

• 3Fe + C_к = Fe₃C.

Четвёртая стадия — это процесс, протекающий в горне. Здесь, с одной стороны, продолжается растворение углерода кокса в жидком металле, а с другой — идёт окисление углерода чугуна в фурменных очагах (связано с размером печи)^[21][22].

Формирование шлака

Состав образующегося в доменной печи шлака зависит от множества факторов (минералогический и гранулометрический состав шихты, температурный режим плавки). Значительно отличается процесс шлакообразования при работе печи с добавлением известняка и при работе на офлюсованном агломерате. Нормальной для доменного шлака считается основность равная 1,0^[23].

Первичный доменный шлак может содержать фаялит, волластонит, геленит. В нижней половине шахты или в распаре происходит размягчение и плавление первичного шлака. Положение зоны первичного шлакообразования в печи зависит от состава шлака и распределения температуры по высоте печи. Наиболее сложной в практике эксплуатации печи является проплавка трудновосстановимой руды с легкоплавкой пустой породой, когда значительное количество оксидов железа присоединяется к первичному шлаку уже в середине шахты. Восстановление железа из шлака затруднено. Значительная часть железа восстанавливается в этом случае прямым путём, что приводит к перерасходу кокса. Преждевременное плавление первичного шлака ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, так как большая часть печи оказывается заполненной полурасплавленными (тестообразными) массами, представляющими значительное сопротивление проходу газов^[24].

При плавке титаномагнетитового сырья (например, агломерат и окатыши Качканарского ГОКа^[25]) в шлак переходят значительные количества соединений титана. При этом в горне доменной печи в массе жидкого титансодержашего шлака находятся мельчайшие твёрдые частицы не успевшего восстановиться ильменита и карбида титана. Присутствие твёрдых частиц резко увеличивает вязкость шлака, что затрудняет выпуск из печи^[26].

Доменный шлак часто используется в качестве основного сырья для извлечения ценных компонентов^[27].

Методы интенсификации доменной плавки

• Нагрев дутья
• Повышение газопроницаемости шихтовых материалов
• Обогащение дутья кислородом
• Повышение давления газа в рабочем пространстве печи
• Вдувание в печь углеродсодержащих веществ (природного газа, мазута, пылеугольного топлива)
• Повышение содержания железа в железорудном сырьё
• Использование частично металлизованного сырья^[28][29]

Критика и эффективность доменного процесса

Доменные печи выплавляют основное количество первичного металла (в 2002 г. — более 95 %). Доменный процесс исторически подвергался критике. Только во второй половине XX столетия были по крайней мере две волны критики, предсказывавшие исчезновение доменного производства как самостоятельного металлургического передела. В 1960 годы это было связано с вовлечением в мировое хозяйство крупнейших месторождений нефти и газа. По прогнозам многих специалистов того времени, доля первичного металла, получаемого новыми альтернативными доменному способами производства, должна была достичь 40 % к 2000 году. Вторая волна критики относится к 1980 годам. Это было связано с точкой зрения негативного влияния металлургии на экологию. Лишь после появления в периодической печати серьёзных аналитических публикаций о роли различных отраслей народного хозяйства в изменении состояния окружающей природной среды отношение к металлургической промышленности изменилось в лучшую сторону^[30].

В XX веке традиционная схема получения чёрных металлов (подготовка сырья — доменное производство — получение стали в конвертерах) абсолютно доминировала в мировой промышленности. В 1990-е годы ежегодное мировое производство чугуна поддерживается на уровне 550—650 млн тонн, мировое производство железной руды — 960—980 млн тонн, окатышей — 230—240 млн тонн. Расчёт на традиционную металлургическую схему характерен и для стран, быстрыми темпами развивающих металлургическую промышленность (Тайвань, Республика Корея и др.). Доля этих стран в мировом производстве чёрных металлов в начале 2000-х достигла 20 %. В 1990 г. 12,5 % общего мирового производства чугуна относилось к доменным печам, срок эксплуатации которых составил менее 10 лет^[31].

Доменный процесс — один из немногих промышленных процессов, сохранивших свою сущность и значимость при всех технических революциях. Противоточный принцип процесса, осуществляемого в закрытом агрегате шахтного типа, обеспечивает максимальную утилизацию подводимой энергии в самом процессе и простоту использования отводимых продуктов. В современных доменных печах восстановительный потенциал отходящих газов приближается к термодинамически предельному, а температура колошникового газа становится менее 100 °С. Наличие углеродистой насадки обеспечивает уникальную, характерную только для доменной печи, особенность совмещения в одном агрегате трёх фазовых состояний шихты (твёрдого, жидкого и размягчённого), находящейся в противотоке с газовым потоком. Вместе с тем ход плавки в современных агрегатах характеризуется высокой устойчивостью при долговременно-непрерывном режиме работы. Это достигнуто длительным эволюционным развитием процесса с закреплением преимуществ, присущих шахтному противотоку. Результаты эволюции выразились в формировании уникальных свойств доменной печи, обеспечивающих устойчивое протекание процессов при высокой их эффективности^[32].

Эволюционное развитие доменного процесса идёт по пути сокращения расхода кокса. Доменные печи, работающие по современным технологиям на подготовленной шихте с низкой теплопотребностью, имеют суммарный расход энергоносителей в пределах 480—500 кг/т. Расход кускового кокса в этом случае составляет менее 300 кг/т, остальное топливо представлено некондиционным коксом, загружаемым сверху, пылевидным топливом, мазутом или природным газом, вдуваемым в горн доменной печи. Теоретические расчёты показывают, что суммарный расход энергоносителей может быть доведён до 350—400 кг/т^[33].

Важнейшими показателями работы доменных печей являются среднесуточная производительность и расход кокса на единицу выплавляемого чугуна. Максимальная производительность доменных печей с применением приёмов интенсификации процесса плавки составляет 12000 т/сутки, а удельный расход кокса на лучших печах составляет 0,4 т/т чугуна. Для сравнительной оценки производительности доменных печей пользуются коэффициентом использования полезного объёма печи (КИПО), представляющим собой отношение величины полезного объёма печи к её среднесуточной производительности. В 2000-е годы рекордный коэффициент использования полезного объёма составлял 0,35 м3 × т / сутки^[34].

Автоматизация доменного процесса

Основными направлениями технического прогресса в доменном производстве являются улучшение подготовки сырых материалов, совершенствование технологии доменного процесса, строительство доменных печей большой мощности, механизация и автоматизация управления доменным процессом. Выделить следующие основные направления автоматического контроля:

1. Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
2. Загрузка шихтовых материалов.
3. Состояние колошника.
4. Состояние шахты печи.
5. Параметры комбинированного дутья.
6. Состояние горна.
7. Технико-экономические показатели плавки.
8. Работа воздухонагревателей^[35].

Локальные системы стабилизации отдельных параметров доменного процесса

Внедрение локальных систем стабилизации отдельных параметров доменного процесса явилось одним из первых этапов автоматизации доменного производства. Локальная система стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволяет повысить производительность доменных печей и снизить потребление кокса. А внедрение систем автоматического управления подачей шихты, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей, как правило, даёт дополнительный экономический эффект^[36].

Локальные системы управления доменного процесса

Системы автоматического управления отдельными режимами работы доменной печи называются локальными системами управления или подсистемами комплексного управления. На вход таких систем поступает информация, характеризующая соответствующий режим, а выходом системы является управления задатчиками локальных систем стабилизации, обслуживающих данный комплекс параметров. Основными локальными системами управления доменного процесса являются:

1. Система управления шихтовки и шихтоподачи.
2. Система управления теплового режима.
3. Система управления распределения газового потока.
4. Система управления хода доменной печи^[35].

См. также

• Горно-обогатительный комбинат
• Окускование
• Сталь

Примечания

Литература

• Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев и др. Металлургия чугуна : Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — 3-е издание, переработанное и дополненное. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
• Дмитриев А. Н. и др. Основы теории и технологии доменной плавки. — Екатеринбург: УрО РАН, 2005. — 545 с. — ISBN 5-7691-1588-2.
• Готлиб А. Д. Доменный процесс. — Москва: Металлургия, 1966. — 503 с.
• Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А. Металлургия чёрных металлов: Учебник для техникумов — 2-е издание, перераб. и дополн. — Металлургия, 1986. — 360 с. — 12700 экз.
• Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — Москва: Металлургия, 1980. — 303 с.
• Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 15. — 257 с.
• Газалиев А. М., Акбердин А. А., Сарекенов К. З., Конуров У. К. Компьютерное моделирование процессов доменной плавки. — Караганды: Издательство КарГТУ, 2015. — 169 с. — ISBN 978-601-296-868-2.

Ссылки

• Обучающее видео о доменном процессе (Наука 2.0)

Эта страница в последний раз была отредактирована 6 сентября 2022 в 18:13.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.