Технологический процесс производства чугуна

Стадии технологического процесса:

- загрузка материалов (шихты), распределение их на колошнике;

- движение материалов в доменной печи;

- нагрев шихты, удаление влаги, разложение карбонатов;

- восстановление окислов железа;

- восстановление кремния. Выплавка кремнистых чугунов;

- восстановление марганца и выплавка марганцевых чугунов;

- восстановление других элементов, содержащихся в шихте;

- науглероживание железа и образование чугуна;

- процесс шлакообразования;

- процессы, проходящие в горне доменной печи;

- удаление (отработка) продуктов доменной плавки и их дальнейшее использование в промышленности.

Загрузка материалов

Шихтовые материалы, загруженные в печь, медленно опускаются вниз, пребывая в печи (4…6) часов. Опускание шихты происходит за счет освобождения части объема при сгорании кокса, образования жидких продуктов плавки и физического уплотнения материалов. Так как основное количество кокса сгорает в фурменной зоне, то в ней и происходит основное движение материалов. Скорость опускания материалов у стенок печи (по периферии) на колошнике достигает 140 мм/мин, а в центральных зонах – (70…120) мм/мин.

Навстречу медленно опускающимся шихтовым материалам, с большой скоростью по всему поперечному сечению печи движется газовый поток (доменный газ). Газы образуются в результате сгорания кокса у фурм. Газ должен, как можно эффективнее и полнее, отдавать свое физическое тепло на нагрев шихты, а химическую энергию на восстановление шихтовых материалов. Для обеспечения этих физико-химических процессов шихта должна быть хорошо подготовленной, то есть быть газопроницаемой.

 В состав доменного газа входят и продукты сгорания интенсификаторов процесса: природного газа, угольной пыли, мазута, подаваемых в дутье через специальные устройства в районе воздушных фурм.

О газопроницаемости шихты судят по содержанию CO₂ и температуре колошниковых газов. Полнота завершения химических и тепловых процессов в печи характеризуется высоким содержанием углекислоты и низкой температурой газов.

Нагрев шихты

В зоне горения кокса температура достигает 2000ºС, газообразные продукты сгорания [CO; CO₂; N₂ воздуха] нагреваются до высокой температуры и поднимаются вверх. Тепло газов передается твердым материалам шихты и футеровке печи. Степень нагрева проплавляемых материалов зависит от того, как они удалены от горна и какая у них газопроницаемость. На каждом горизонте доменной печи по ее высоте, несмотря на неравномерное распределение температуры по сечению, слой шихты нагревается до какой-то постоянной усредненной температуры. Естественно, что самая низкая температура – на колошнике, где температура газов – (200…400)ºС. В нижней части шахты – (1000…1150) ºС, в районе распара – до 1200 ºС и в верхней части горна температура достигает 2000 ºС.

Таким образом, загружаемые в печь материалы основную свою часть вертикального перемещения от колошника до верха горна совершают в области умеренных температур, где осуществляется их сушка и другие процессы. Контроль температур в печи осуществляет АСУ.

Удаление влаги и летучих

Из всех компонентов шихты кокс подвергается наименьшим физическим и химическим изменениям на пути до горна печи. Вначале, кокс теряет влагу при 110 ºС, а затем при (300…400) ºС из него удаляются остатки летучих веществ органического происхождения [CH₄; H₂; CO; CO₂], которые переходят в колошниковый (доменный) газ.

Когда кокс достигает зоны распара (над фурменной зоной), то в нем остается только углерод, зола, сера, фосфор. Аналогично, протекают процессы удаления гигроскопической влаги агломерата (при 100 ºС) и гидратной влаги при (550…1000) ºС. Так как в шихте, практически, не используется железная руда и флюс, то большого влияния на ход плавки выделение гидратной влаги не оказывает.

Разложение углекислых соединений (карбонатов)

Интенсивное разложение известняка и доломита:

CaCO₃ = CaO + CO₂        MgCO₃ = MgO + CO₂

происходит при температуре около 1000 ºС и требует расхода кокса. Образовавшаяся CO₂ взаимодействует с углеродом кокса по реакции: CO₂ + C = 2CO, протекающей с поглощением тепла и требующей также расхода кокса.

CO₂ – диоксид углерода (углекислый газ) снижает калорийность колошникового газа и понижает его восстановительную способность. Поэтому в доменной плавке стремятся не использовать традиционные флюсы, а использовать предварительно офлюсованные компоненты (агломерат, окисленные обожженные железорудные окатыши). Замена в доменной шихте 1 кг известняка за счет применения офлюсованного продукта экономит 0,4 кг высококачественного дорогостоящего, дефицитного металлургического кокса.