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

 

2.2. Показатели работы доменных печей

 

Чем тщательнее подготавливают руду к доменной плавке, тем выше производительность доменной печи, ниже расход топли­ва и выше качество выплавляемого чугуна.

В конечном итоге стремятся снабжать доменную печь ших­той, состоящей только из двух компонентов: офлюсованного железорудного сырья и кокса определенной кусковатости и не содержащих мелких фракций (ниже 5-8 мм для железосо­держащей шихты и ниже 20-30 мм для кокса).

Основным топливом доменной плавки является кокс - куско­вой пористый материал из спекшейся углеродистой (83-88 % С) массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Вследствие своей прочности, термо­стойкости (способности не растрескиваться) и способности не спекаться кокс сохраняет форму кусков на всем пути движения шихты от колошника до горна. Благодаря этому кокс разрыхляет столб шихты в печи, обеспечивая необходи­мую ее газопроницаемость. В нижней части печи (в заплечи­ках и горне) только кокс остается в твердом состоянии, образуя как бы подвижную дренажную решетку (коксовую на­садку), через которую в горн стекают жидкие продукты плавки, а вверх проходят газы.

Естественные твердые виды топлива не пригодны для до­менной плавки вследствие низкой термостойкости и из-за склонности к спекаемости, поэтому кокс не может быть за­менен другим топливом; возможна лишь частичная замена кокса газообразным, жидким и пылеугольным топливом.

Как топливо кокс, сгорая у фурм, обеспечивает доменную печь теплом, необходимым для нагрева и расплавления шихты и протекания процессов восстановления железа из оксидов. Кроме того, углерод кокса является восстановителем и слу­жит для науглероживания железа, а продукт сгорания кок­са – газ СО также является восстановителем.

Кокс является наиболее дорогим и дефицитным шихтовым ма­териалом доменной плавки, и удельный расход кокса служит характеристикой экономичности работы печи. Величина рас­хода кокса влияет на производительность печи и показывает использование химической и тепловой энергий топлива в ра­бочем пространстве печи. В удельном расходе кокса отра­жается уровень техники, степень подготовки сырья к плавке и мастерство ведения доменного процесса. На лучших доменных печах он достигает 350-400 кг/т, а на различных заводах в зави­симости от условий плавки он изменяется в пределах 350-600 кг/т чугуна.

В таблице показано влияние различных факторов на расход кокса.

 

Фактор

Изменение  расхода, %

Повышение содержания железа в шихте на 1 %

-(0,8-1,3)

Повышение температуры дутья на 100 °С

-(2-2,5)

Вдувание 1 м3 природного газа на 1 т чугуна

-(0,15-0,20)

Увеличение давления под колошником

на 0,01 МПа

-(0,1-0,3)

Вывод из шихты 100 кг известняка

-(3-5)

Металлизация шихты на 10 %

-(5-8)

Увеличение содержания в коксе:

 

золы на 1 %

+(1,2-1,5)

серы на 0,1 %

+(0,3-0,5)

Увеличение содержания в чугуне:

 

марганца на 0,1 %

+(0,2-0,3)

кремния на 0,1 %

+(0,6-1,2)

Увеличение количества мелочи (5 мм)

в шихте на 1%

+(1-2)

 

Существуют несколько методик приближенного расчета расхода кокса. Сравнительно простым является расчет по эмпирической формуле, полученной на основании обобщения опыта работы доменных печей Магнитогорского металлурги­ческого комбината:

 

К = 850 – 3,8Feаг + 2(О2 – 21) – 0,8П – 0,09tд +

+ 0,6Н2О + 0,24И – 13,1,

 

где К – расход кокса, кг/т чугуна; Feаг – содержание железа в агломерате, %; О2 – содержание кислорода в дутье, %; П – расход природного газа, м3/т; tд – температура дутья, °С; Н2О – влажность дутья, г/м3; И – расход известняка, кг/т.

Другая формула, полученная путем обобщения практичес­ких данных (формула В.Г.Воскобойникова), учитывает влия­ние ряда других факторов:

 

К = 1150 + 50(Si + SK) + 5АК + 2,5Вм – 10FeKOН –

- 0,1 tд – 1000S – 0,8П - (2,6¸4,1)hм.

 

В этой формуле помимо принятых выше обозначений: FeKOH – содержание железа в железорудном концентрате, %; Si и S – содержание кремния и серы в чугуне, %; SK и Ак – содержа­ние серы и золы в коксе, %; Вм – содержание мелочи (< 3 мм) в шихте, %; hм – степень металлизации шихты, %.

Следует обратить внимание на то, что в этой формуле FeKOH представляет собой содержание железа не в офлюсо­ванной шихте (агломерате, окатышах), а в концентрате, из которого они получены.

Приведенная формула может быть применена при изменении температуры в пределах 1000-1300 °С, содержания железа в концентрате в пределах 58-65 % и расхода газа - в пре­делах 0-120 м3/х.

 

Основные технические показатели

 

Основными показателями, характеризующими работу доменной печи, являются: производительность в единицу времени и расход кокса на тонну выплавляемого чугуна.

Для оценки производительности доменных печей различно­го объема применяют показатель:

1. Коэффициент использования полезного объема (КИПО), представляющий собой отноше­ние полезного объема печи V, к ее среднесуточной произво­дительности Р, т/сут:

 

КИПО = V/Р.

 

Чем ниже КИПО, тем выше производительность печи.

Для большинства доменных печей КИПО = 0,5-0,7 (для передовых – 0,45).

 

2. Удельный расход кокса, К – это отношение расхода кокса за сутки А(т) к количеству чугуна, выплавленного за это же время Р(т):

 

К = А/Р.

 

Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0,5-0,7 (для передовых – 0,36-0,4). K – важный показатель, так как стоимость кокса составляет более 50% стоимости чугуна.

Так как производительность доменных печей при выплавке чугунов и доменных ферросплавов различных видов и марок неодинакова, то при расчете КИПО суточную выплавку выражают в тоннах передельного чугуна. Для этого массу выплавки чугунов всех видов и марок пересчитывают на пе­редельный при помощи переводных коэффициентов:

 

Чугун передельный

1,00

Чугун передельный высококачественный

1,34

Чугун литейный (в среднем)

1,26

То же по маркам

1,15—1,40

Ферромарганец доменный

2,5

Феррофосфор

4,0

 

Производительность доменной печи данного объема зави­сит от интенсивности плавки и удельного расхода кокса. Интенсивность плавки I может характеризоваться различными показателями:

-       отношением суточного расхода кокса к объему доменной печи;

-       отношением суточного расхода углерода топлива к объему печи;

-       количеством кокса, сожженного за 1ч на 1м2 площади горна;

-       отношением количества дутья за единицу времени к объе­му печи.

Наиболее распространенным в отечественной практике по­казателем интенсивности плавки является отношение коли­чества углерода топлива, израсходованного за сутки, к по­лезному объему печи, т/(м3×сут):

 

Iс = (СКК + СдQд)/100V,

 

где СK и Сд - содержание углерода соответственно в коксе и углеродсодержащих добавках, %; К и Qд - суточный расход соответственно кокса и углеродсодержащих добавок, т; V - полезный объем доменной печи, м3.

Интенсивность доменной плавки, вычисленная таким спо­собом, достигает значений 0,95-1,25 т углерода в сутки на 1 м3 объема печи.

Количество сожженного топлива в тоннах на 1 м2 площади горна можно определить следующим образом:

 

Iс = (К + 0,0008Qг)/A,

 

где А - площадь сечения горна, м2; Qг - расход природного газа, м3/сут.

Эта величина составляет обычно 20-25 т/(м2×сут).

Расход железосодержащих материалов определяется содер­жанием железа в них, выносом их в виде колошниковой пыли и потерей металла со шлаком, а также содержанием железа в чугуне.

Отношение количества железа, вносимого в печь с шихто­выми материалами, к содержанию железа в чугуне называют коэффициентом использования железа и его определяют на основе балансов железа.