Раздел 2. Производство чугуна и железа

Цель раздела:

Ознакомиться с современными технологиями доменного производства металла

План раздела.

2.1. Технологии доменного процесса

2.2. Показатели работы доменных печей

2.3. Способы внедоменного (бескоксового) получения железа

2.1. Технологии доменного процесса

Производство чугуна делится на традиционные и современные способы.

Пример традиционных технологий – использование паровоздушного дутья, а новых – вдувание пылеугольного топлива и распределение шихты лотковым загрузочным устройством.

Важно не только знать специфику конкретной доменной печи, но и уметь выявлять и решать проблемы, связанные с использованием новых технологий на этом агрегате.

Методы выплавки чугуна:

- доменный (доменная печь);

- бездоменный (индукционные и электропечи);

- прямое восстановление железа;

- восстановление железа из ядерного реактора;

- восстановление железа из чистого водорода.

Доменный метод выплавки чугуна

Этапы доменного производства:

1. Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Метод подготовки зависит от качества руды.

2. Выплавка чугуна. Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах: восстановление оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.

В управлении домной необходимо учитывать работу соседних печей, состояние энергетики и себестоимость по TCO.

1. Чугун:

- передельный чугун (90 % общего производства чугуна). Содержит 3,8-4,4 % углерода, 0,3-1,2 % кремния, 0,2-1 % марганца, 0,15-0,20 % фосфора, 0,03-0,07 % серы.

- литейный (имеет 5 видов: белый, серый, половинчатый, ковкий, высокопрочный).

2. Ферросплавы – сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали.

3. Шлак (изготавливают шлаковату, цемент, удобрения).

4. Доменный газ (после очистки используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в печь).

Восстановление железа из руды происходит по мере продвижения шихты вниз в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe

До температур 700-900 °С восстановление осуществляется газовым восстановителем (СО) по реакциям:

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂,

Fe₃O₄ + CO = 2FeO + CO₂,

FeO + CO = Fe + CO₂.

По мере опускания шихты до горизонтов с температурой 900-1200 °С, выделяющийся в ходе восстановления углекислый газ (СО2) начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции:

СО₂ + С = 2СО.

Процесс восстановления существенно изменяется и идет по реакции:

FeO + C = Fe + CO.

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться косвенным путем. По мере опускания шихты, выделяющийся в результате восстановления СО₂ начинает взаимодействовать с углеродом твердого топлива и процесс непрямого или косвенного восстановления переходит в прямое восстановление.

Часть оксидов железа руды восстанавливается водородом, образующимся в доменной печи в результате реакции разложения паров воды:

Н₂О + С = Н₂ + СО.

Восстановление оксидов железа водородом происходит также, как оксидом углерода (СО), по стадиям от высших к низшим:

3 Fe₂O₃ + H₂ = 2F Fe₃O₄ + H₂O;

Fe₃O₄ + H₂ = 3FeO + H₂O;

FeO + H₂ = Fe + H₂O.

Водород, как реагент-восстановитель, характеризуется более высокой степенью использования. Вследствие меньшего размера молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Поэтому, несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу.

Кроме железа, в доменной печи происходит восстановление и других элементов, входящих в состав шихты.