Какой продукт доменного процесса идет на переплавку в сталь

Обновлено: 02.05.2024

Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. Доменное производство возникло в результате развития сыродутного процесса - «прямого» получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России - около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо для доменного производства - древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

Основные этапы развития доменного производства: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т чугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна (3-е место в мире), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В 1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3 млн. т. Большую роль в развитии доменного производства в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин. Доменное производство в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

Выплавка чугуна производится в доменных печах, представляющих собой сложный технологический агрегат.

Доменная печь, домна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до ее «капитального» ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Основным материалом для доменного производства является железная руда, содержащая железо в виде оксидов. Оксиды железа купить в виде руды возможно у сырьевых компаний крупнейших стран-экспортёров: Австралия, Бразилия, Индия, Канада, ЮАР, Украина, Россия, Швеция, Казахстан. Для загрузки в печь наиболее удобны куски руды диаметром от 10 до 50 мм. Более мелкая и пылевидная руда должна быть окускована путем спекания. Такое спекание называется агломерацией и производится на агломерационных фабриках, которые строятся иногда на рудниках, но чаще непосредственно на металлургических заводах.

В доменной печи происходит отделение железа от кислорода (процесс восстановления). Этот процесс возможен при высоких температурах, для создания которых в доменной печи сжигается кокс. Кокс содержит углерод, который при высоких температурах соединяется с кислородом оксидов железа или, как принято говорить, восстанавливает железо из оксидов. Раньше вместо кокса в доменных печах сжигали обыкновенный древесный уголь.

Пустая порода, содержащаяся в большом количестве в железной руде, и зола, имеющаяся в коксе, при плавлении шихты не переходят в металл, а образуют шлак, который нужно своевременно удалить из печи. Чтобы облегчить удаление шлака, в руду добавляют флюсы - материал, придающий шлаку более жидкий вид. Обычно флюсом служит известняк.

Материалы подают в засыпное устройство, находящееся в верхней части домны, по наклонному мосту в специальных тележках-скипах, емкость которых на больших печах достигает 10 м 3 ; подача материалов идёт непрерывно.

Рис. 1. Схема доменного производства

Таким образом, основными материалами для производства чугуна в доменной печи является железная руда, кокс и известняк. Кроме того, в доменном процессе для поддержания горения необходим воздух. Печь может работать только при непрерывной подаче воздуха.

Для того чтобы не охлаждать печь во время работы и ускорить плавку, воздух в печь подается подогретым до 600-800° и под давлением 1,5-2 атм. Воздух подогревают в специальных аппаратах - воздухонагревателях.

Воздухонагреватели представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 7 до 9 м и высотой до 46 м с днищем и куполом. Воздухонагреватели изготовляют из листовой стали толщиной 10-14 мм. Внутреннее пространство воздухонагревателей разделено стенкой из огнеупорного кирпича на две вертикальные камеры - камеру горения и камеру насадки.

Насадка - кирпичная кладка - выкладывается из огнеупорного (шамотного) кирпича так, чтобы образовались вертикальные сквозные от низа до верха каналы для прохода газа и воздуха. Благодаря каналам насадка обладает большой поверхностью нагрева (от 10 до 20 тыс. м2 и более). Насадка кладется на чугунную поднасадочную решетку, которая опирается на специальные колонны и расположена на уровне 2-2,5 м от днища воздухонагревателя.

Каналы насадки соответствуют отверстиям в решетке и имеют выход в пространство под решеткой, называемое поднасадочным пространством. В поднасадочное пространство по воздухопроводу холодного дутья подводится от воздуходувных машин холодный воздух.

Нагрев воздуха в воздухонагревателях происходит за счет сжигания очищенного газа, который, сгорая в камере горения, поднимается вверх под купол, а затем по каналам насадки опускается вниз и, отдав тепло насадке, уходит в дымовую трубу. После нагрева насадки газ и дымовую трубу отключают и через насадку пропускают воздух, который движется в направлении, обратном движению горячего газа. Горячий кирпич насадки отдает свое тепло воздуху.

Подогретый воздух по воздухопроводу горячего дутья подается от воздухонагревателей в кольцевую трубу и затем через специальные приборы, называемые фурмами, - в доменную печь.

Для одной доменной печи строят три или четыре воздухонагревателя, которые работают поочередно, т. е. если в одном нагревается насадка, то в другом - воздух, а третий запасной. Доменный процесс сопровождается также выделением побочных продуктов - доменного газа и шлака.

Жидкий шлак выпускается через шлаковые лётки в специальные ковши, в которых отвозится в шлаковые отвалы. В дальнейшем из него изготовляют строительные материалы - шлакоблоки. Доменный газ используется как топливо для сжигания в коксовых и мартеновских печах, в нагревательных печах прокатных цехов, а также в обыкновенных котельных топках.

Образующийся в печи газ через подсвечники, свечи и наклонные газопроводы отводится, в пылеуловители. Обычно на каждую доменную печь ставилось два пылеуловителя - первичный и вторичный. В настоящее время доменные печи сооружаются преимущественно с одним первичным пылеуловителем.

Свечи своей нижней частью, так называемыми подсвечниками, примыкают к куполу шахты. На доменную печь ставятся четыре подсвечника, а далее каждая пара подсвечников объединяется в одну свечу; свечи соединяются с первичным пылеуловителем двумя наклонными газопроводами грязного газа.

Пылеуловители представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 9 до 11 м с коническим днищем и куполом, пылеуловители изготовляются из листовой стали толщиной 10-14 мм.

Доменный газ уносит с собой большое количество мелких частиц руды и кокса (колошниковой пыли) и по наклонным газоотводам попадает в пылеуловители. Здесь вследствие большего объема сосуда давление и скорость газа резко падают и значительная часть пыли (до 3/4) осаждается в конусах пылеуловителей, откуда ее периодически выпускают в вагоны и отвозят в отвал или на агломерационную фабрику, где она спекается в куски и вновь используется как шихтовый материал для доменной печи.

Пыль сильно истирает стенки свечей, газоотводов и пылеуловителей, поэтому их футеруют (выкладывают) шамотным кирпичом, а тройники и подсвечники - специальными чугунными плитами.

В пылеуловителях доменный газ проходит грубую очистку. Для дальнейшего использования газа необходима его полная очистка, которая происходит в специальных газовых цехах - газоочистках, входящих в комплекс сооружений доменного цеха. От пылеуловителей к газоочистке газ подается по газопроводу грязного газа. Очищенный газ по газопроводу чистого газа поступает к потребителям.

Доменный газ совершенно бесцветный и не имеет запаха, ядовит, а при соединении с воздухом образует взрывчатую смесь, которая при вспышке взрывается с огромной разрушительной силой. Поэтому при обращении с доменным газом требуется большая осторожность.

Таким образом, основным продуктом доменного производства является чугун, побочными продуктами - шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Основной примесью чугуна является углерод (2-4% и более), который может содержаться в чугуне в виде механической примеси (свободного графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом железа или цементитом. Получаемые в доменной печи чугуны разделяются на сорта: литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун содержит свободный графит и имеет в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Этот чугун хорошо заполняет формы и легко поддается обработке режущим инструментом. Литейный чугун применяют для отливки радиаторов, труб, печных приборов и других строительных и бытовых изделий.

Передельный чугун содержит углерод в виде химического соединения с железом и имеет блестящий белый излом, поэтому иногда называется белым чугуном (белый цвет излома следует считать условным). Этот сорт чугуна плохо отливается и обрабатывается и идет главным образом в переплавку на сталь.

Специальные чугуны, или ферросплавы, имеют повышенное (более 10%) содержание одного или нескольких элементов, например кремния, марганца и др. Применяют их в основном в качестве специальных добавок при выплавке сталей.

Чугун и шлак периодически выпускают из печи: чугун через 4-6 час., а шлак через 2-3 часа. Производительность доменной печи характеризуется коэффициентом использования полезного объема, который представляет собой отношение полезного объема печи в кубических метрах к суточной выплавке чугуна в тоннах. Полезным объемом называется объем печи от уровня чугунной лётки до отметки низа большого конуса в опущенном состоянии.

Чем меньше коэффициент по абсолютному значению, тем лучше работает доменная печь. Более экономичными в эксплуатации являются доменные печи большого объема, поэтому впредь предполагается строительство печей большого объема.

Рис. 2. Разрез по оси доменной печи:

1 – пылеуловители; 2 – фундамент; 3 - рабочая площадка; 4 - кольцевой воздухопровод; 5 – лещадь; 6 – кладка горна; 7 – фурменные отверстия; 8 – кладка заплечиков; 9 – кладка шахты; 10 – колошник; 11 - наклонный газопровод; 12 – колошниковая площадка; 13 - засыпной аппарат; 14 – свечи; 15 – крыша здания поддоменника; 16 – колонны для удержания шахты; 17 - здание скипового подъемника; 18 – наклонный мост; 19 – железнодорожные вагоны с исходными шихтовыми материалами; 20 – бункер с шихтовыми материалами; 21 – скип; 22 - рудно-грейферный кран; I – горн; II – заплечики; III – распар; IV – шахта; V – колошник.

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Чугун получают в доменных печах, сооружаемых с применением огнеупорных материалов. Производство чугуна основано на методе плавки исходных материалов, в результате чего происходит восстановление железа и насыщение его углеродом и другими элементами. Основные исходные материалы для плавки чугуна – топливо, руды и флюсы.

В металлургическом производстве в качестве топлива применяют главным образом каменноугольный кокс, мазут и природный газ, представляющие собой вещества органического происхождения. В их состав входят углерод, водород, кислород, азот, сера, а также влага и минеральные примеси, дающие золу. Топливо сжигают в плавильных и нагревательных печах и устройствах.

В современном доменном производстве применяют каменноугольный кокс, который, являясь топливом, обеспечивает нагрев печного пространства до необходимой температуры и протекание химических реакций восстановления железа из железных руд при плавке.

Железными рудами (железняками) называют полезные ископаемые, представляющие собой горные породы или минеральные вещества, добываемые из недр земли. Для производства чугуна применяют красный, бурый магнитный и шпатовый железняки, а также марганцевую руду, содержащие много рудного вещества (оксидов железа) и мало пустой породы, т. е. минералов, которые легко отделяются от железной руды при ее подготовке к плавке (обжиганию) и переходят в шлаки при плавке (не загрязняют выплавляемый чугун).

К вредным примесям руды относятся сера, мышьяк и фосфор.

Основное назначение флюсов – перевод пустой породы железных руд и золы кокса в шлак, располагающийся над жидким чугуном в доменной печи, и придание ему достаточной жидкотекучести.

Количество и виды флюсов зависят от количества и химического состава пустой породы железных руд, а также вида выплавляемого чугуна. Пустая порода железных руд обычно содержит кремнезем, поэтому в доменном процессе, как правило, применяют в качестве флюса известняк.

ПРОДУКТЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Продукты доменной печи – чугун, шлак и доменный газ. Чугун – это сплав железа с углеродом (2,14–6,67%) с примесями марганца и кремния, а также вредных примесей фосфора и серы.

В зависимости от назначения чугун выплавляют трех сортов: передельный, литейный и специальный (ферросплавы).

Передельный чугун предназначен для переработки в сталь. Его производство составляет более 80% от общего объема выпускаемого чугуна.

Литейный коксовый чугун предназначен для изготовления чугунных отливок различного профиля (фасонных) методом литья в формы.

Ферросплавы предназначены для производства стали. Они отличаются от передельных и литейных чугунов повышенным содержанием марганца или кремния и называются соответственно ферромарганец и ферросилиций.

Шлаки, образующиеся при выплавке чугуна, широко используют в гранулированном виде при производстве цемента, шлаковой ваты для теплоизоляции, шлаковых блоков и других строительных материалов.

Доменные газы после очистки от пыли используют как газообразное топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи (в воздухонагревателях-кауперах), нагрева ковшей, а также для других печей металлургического завода.

Конечные продукты доменной плавки – выпускаемые из печи в огненно-жидком виде чугун и шлак, а также доменный (колошниковый) газ.

В зависимости от назначения чугуна и состава шихтовых материалов в нем может содержаться хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк. Содержание этих элементов регламентируется соответствующим ГОСТом или техническими условиями и определяется при анализе проб, отбираемых в ходе плавки и при выпуске металла из печи.

Все доменные чугуны по своему назначению подразделяют на три основных вида:

· передельный, предназначенный для дальнейшего передела в сталь;

· литейный, используемый после переплава в чугуноплавильных цехах для отливки чугунных изделий;

· доменные ферросплавы, используемые в качестве раскисителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

Передельный чугун является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90 % общего производства чугуна. Он предназначен для производства стали в конвертерах или мартеновских печах и обычно содержит 0,3-1,2 % Si; 0,2-1,0 % Mn; 0,15-0,2 % P и 0,02-0,07 % S.

Литейный чугун по содержанию фосфора делят на четыре класса: А – до 0,1 % Р (малофосфористый), Б – 0,1-0,3 % Р (обычный) и высокофосфористые чугуны классов В и Г с содержанием фосфора соответственно 0,31-0,7 и 0,71-1,2 %. Для изготовления высокопрочных изделий применяют чугуны с низким содержанием фосфора, а для художественного литья – высокофосфористые чугуны.

К доменным ферросплавам относятся: ферромарганец (70-75 % Mn и более, до 2 % Si, 0,33-0,45 % P, до 0,03 % S); ферросилиций (9-13 % Si и иногда до 18 % Si, до 3 % Mn, до 0,2 % P, до 0,04 % S) и зеркальный чугун (15-25 % Mn, до 2 % Si, до 0,22 % P и до 0,03 % S).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась, а ферросилиция прекращена полностью вследствие неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах, где одновременно обеспечивается их более высокое качество.

Выплавка чугуна в доменных печах неизбежно сопровождается получением значительного количества доменного шлака. Шлак образуется в доменной печи из флюсов, золы, кокса, пустой породы руды и агломерата. Обычно при выплавке передельного и литейного чугунов выход шлака составляет 0,3 - 0,6 т на 1 т чугуна.

Основными составляющими шлака являются окислы кремния (SiO₂), кальция (CaO), алюминия (Al₂O₃), магния (MgO), а также небольшое количество закиси железа (FeO), закиси марганца (MnO) и сульфидов металлов (FeS, MnS, CaS, MgS).

До недавнего времени доменный шлак почти не находил применения. Значительные его количества вывозились в шлаковых ковшах в отвал. Разработку шлаковых отвалов вели лишь с целью утилизации попавших в шлак корольков чугуна. В настоящее время в связи с развитием техники переработки доменные шлаки широко применяют в качестве сырья для производства различных строительных материалов: цемента, вяжущих веществ, растворов и бетонов, шлаковой пемзы и ваты, стеновых материалов, дорожной брусчатки и др. Ежегодно перерабатывают и используют около 80% всех шлаков.

Переход металлургических предприятий на работу без шлаковых отвалов высвобождает земельные площади и снижает загрязнение окружающей среды. В перспективе должна быть полная переработка шлаков и постоянное использование старых шлаковых отвалов.

Газы, выходящие из печи через ее верхнюю часть – колошник, называют колошниковыми. Они состоят из СО, СН₄, Н₂, СО₂ и N₂. После очистки от пыли газы используют как топливо для нагрева насадок воздухонагревателей, стальных слитков, коксовых батарей, отопления котлов и др. Горючие компоненты в газе: СО, Н₂ и СН₄.

В процессе очистки колошникового газа получают колошниковую пыль, содержащую 45-55 % Fe в виде окислов и 5-10 % С. Вынос пыли составляет от 10 до 80 кг/т чугуна. Основная масса пыли поступает на агломерационную фабрику. Можно также использовать колошниковую пыль в качестве наполнителя для асфальтных покрытий и дорог.

Продуктами доменной плавки являются: чугун, шлак, доменный (колошниковый) газ.

Продуктами доменной плавки являются:

чугун;
шлак;
доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

передельные;
литейные;
специальные (ферросплавы).

Передельные чугуны

Эта группа чугунов является преобладающим видом продукции доменного производства. На его долю приходится около 90% общего производства чугуна. Они предназначены для передела в сталь кислородно-конвертерным или мартеновским способами и обычно содержат:

0,3 – 1,2 % Si;
0,2 – 1,0 % Mn;
0,15 – 0,2 % P;
0,02 – 0,07 % S.

Фосфористые чугуны

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Специальные чугуны (ферросплавы)

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах. К ним относятся:

ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак образуется в доменной печи из флюса, золы кокса и железосодержащих материалов. Доменные шлаки применяют в качестве сырья для производства различных строительных материалов (цемент, вяжущие вещества, шлаковая вата и пемза, дорожная брусчатка и др.). Значительную часть шлака подвергают грануляции, заключающейся в быстром охлаждении жидкого шлака водой или воздухом. В результате получают мелкие твердые зерна шлака (гранулы).

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник. Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.

Читайте также: