Материаловедение 5 (стр. 2 из 16)

Эта реакция обратима, причем ее равновесие сдвигается вправо при повышении температуры и влево — при понижении.

Иногда в фурмы вводят еще природный газ или пар, который, реагируя с раскаленным коксом, окисляет его при высоких температурах:

н₂0_пар + с_тп = со + н₂.

Разложение компонентов шихты протекает различно — в зависимости от ее состава. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, важнейшими процессами в верхней части печи являются разрушение гидратов оксида железа, оксида алюминия и разложение известняка флюса по реакции:

СаС0₃ = СаО + С0₂.

Если в печь подается уже отфлюсованный агломерат, эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут.

Б0

Восстановление оксидов может происходить окисью углерода, углеродом и водородом. Главная цель доменного процесса — восстановление железа из его оксидов. Согласно теории акад. А. А. Байкова восстановление оксидов железа идет ступенчато по следующей схеме:

Fe₂0₃ -> Fe₃0₄ -> FeOFe.

Главную роль в восстановлении оксидов играет угарный газ:

3Fe₂0₃ + СО = 2Fe₃0₄ + С0₂ +Q.

Эта реакция практически необратима, протекает легко при очень низкой концентрации СО в газовой фазе. Для развития процесса восстановления необходимы температура не ниже 570 °С и значительный избыток СО в газах:

Fe₃G₄ + СО =га= 3FeO + С0₂ + Q.

Затем происходит образование твердой железной губк i по реакции:

3FeO_TB + СО Fe_TB + С0₂ + Q.

Развитие реакции вправо требует еще более высокой температуры и высокой концентрации СО в газовой фазе. Но, как показывают исследования, в печи для этого есть необходимые условия, так как выше температуры 950 °С в газовой фазе присутствует только СО (С0₂ не образуется).

Наряду с СО в процессе восстановления железа из оксидов значительную роль играет и твердый углерод. Это взаимодействие происходит за счет непосредственных контактов оксидов руды с восстановителем во время перемещения руды в печи, а также в горячей зоне печи за счет соприкосновения кусков кокса с жидкими шлаками, содержащими закись железа. Начало и скорость этих реакций в доменной печи зависят от физического состояния руды, состава газов, их давления и ряда других факторов.

Аналогично протекает и восстановление оксидов железа водородом. Водород заметно ускоряет восстановление оксидов, хотя роль его в доменном процессе не является первостепенной.

Восстановление оксидов марганца происходит также ступенчато, главным образом за счет СО:

Мп0₂Mn₂O_sMn₃0₄ -> МпО;

восстановление закиси марганца происходит почти исключительно за счет твердого углерода, видимо, при его соприкосновении с расплавленным шлаком по схеме

MnO + С_тв = Mn + СО — Q,

Рис. 3.6. Высокотемпературный воздухонагреватель:1 — поднасадочная решетка из жаропрочного чугуна; 2 — насадка; 3 — под- купольное устройство; 4 — патрубок горячего дутья; 5 — штуцер горелки; 6 — газовые клапаны; 7 — патрубок колодного дутья; 8 — огнеупорный высокоглиноземистый кирпич; 9 — стальной кожух

так как количество марганца в шлаке доменной печи бывает значительно больше, чем в металле. Эта реакция требует и в 2 раза больше теплоты, чем восстановление железа, а поэтому повышенного расхода топлива.

Восстановление кремния в доменной печи происходит преимущественно твердым углеродом с образованием силицида железа условно по следующей схеме:

Si0₂ + 2С + Fe = FeSi + 2СО +Q,

но требует еще более высокой температуры и тугоплавких шлаков. Образовавшиеся силициды железа растворяются в чугуне.

Фосфор вносится в доменную печь с рудой в виде минералов ЗСаО • Р₂0₅ и 3FeO • Р₂0₅ • 8Н₂0.

При высокой температуре эти соединения восстанавливаются, фосфор взаимодействует с железом, а образующийся фосфид переходит в чугун:

Р + 3Fe = Fe₃P.

Сера находится в руде и коксе в виде пирита и других устойчивых сульфидов. Часть серы окисляется и удаляется с газами в виде S0₂, а часть — растворяется в чугуне и шлаке.

Науглероживание железа происходит за счет взаимодействия твердого губчатого железа с печными газами, содержащими значительное количество СО:

3Fe + 2СО = Fe₃C + С0₂.

Образование сплава железа с углеродом, имеющего температуру плавления ниже, чем чистое железо, приводит к формированию капель жидкого чугуна, которые, стекая в нижнюю часть печи через слой раскаленного кокса, еще более насыщаются углеродом.

Шлакообразование активно развивается при прохождении шихты в области распара после окончания процессов восстановления оксидов железа в доменной печи. Шлак состоит из оксидов пустой породы и золы кокса, а также флюса, специально добавленного в печь, чтобы обеспечить достаточную жидкотекучесть шлака при температуре 1400—1450 °С. При слишком легкоплавком шлаке не успевает восстановиться значительная часть оксидов железа, которая выносится с этим шлаком из зоны восстановления. При слишком тугоплавком шлаке на стенках печи образуются большие настыли, и доменный процесс осложняется. Основные составляющие доменного шлака — кремнезем (30—45 %), оксид кальция (40— 50 %), глинозем (10—25 %). Состав шлака зависит от пустой породы руды, а также от того, получают ли в доменной печи передельный чугун, литейный чугун или ферросплавы (см. ниже).

Шлаки, получаемые в доменной печи, в последние годы широко используют в промышленности. На большинстве заводов их гранулируют, выливая расплавленный шлак прямо из шлаковозных ковшей в большие бассейны. Полученные таким образом шлаковые гранулы перерабатывают на цемент и другие строительные материалы (шлаковую вату для теплоизоляции, шлаковые блоки и др.).

В верхней части печи из шихты отделяются газообразные продукты реакций и азот воздуха. Газы, выделяющиеся из доменной печи, называют обычно колошниковыми. С ними вместе из печей выносится огромное количество пыли (50 кг на 1 т чугуна). Газ состоит из 26—32 % FeO, 9—12 % Fe0₂ и 54—58 % N₂. Теплота сгорания такого газа 4000 Дж на 1 м³, поэтому его широко используют после очистки от пыли как топливо для подогрева воздуха, идущего в доменные печи, а также в других печах металлургического завода.

Важнейший продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, кремнием и марганцем, обычно содержащий примеси серы и фосфора. Количество этих компонентов в чугуне лимитируется ГОСТами.

В доменных печах главным образом выплавляют передельный чугун, предназначенный для переработки в сталь. Эти чугуны обычно содержат 3,5—4,5 % С, 0,5—1,2 % Si, 0,2—1,2 % Мп, до 0,2 % Р и сотые доли процента серы.

В значительных количествах в доменных печах выплавляют и литейные коксовые чугуны, маркируемые ЛК, отличающиеся повышенным содержанием фосфора (0,1—1,2 %) и обязательно значительным количеством кремния (0,8—3,75 %).

В отдельных доменных печах иногда выплавляют ферросплавы. К доменным ферросплавам относят ферросилиций с 9 до 18 % Si, ферромарганец с 70—75 % Мп и зеркальный чугун с 10—« 25 % Мп и около 2 % Si.

Одним из главных показателей работы доменных печей принято считать коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИНО), равный отношению полезного объема W (м³) к суточному выпуску чугуна Q_T; К =W/Q и достигающий 0,35. Так как производительность печи Q стоит в формуле в знаменателе, то чем меньше коэффициент использования полезного объема доменной печи, тем лучше она работает.

Для производства чугуна кроме доменных печей необходимо и другое технологическое оборудование. Наибольшее значение имеют воздухонагреватели. Для успешной работы современной доменной печи объемом 2700 м³ в нее требуется вдувать с помощью мощных воздуходувок ~8 млн. м³ воздуха и 500 000 м³ кислорода в сутки. Нагрев этой массы кислородно-воздушной смеси до температуры 900—1200 °С осуществляется попеременно в четырех цилиндрических башенных воздухонагревателях (рис. 3.6) высотой 40—50 м и диаметром 8—10 м. Внутри воздухонагреватель разделен на две части: полую камеру горения и насадочное пространство, заполненное решетчатой огнеупорной кладкой разной формы со сквозными вертикальными каналами. Очищенный доменный газ смешивают в горелке с воздухом и пламя направляют в вертикальную камеру горения. Горячие продукты горения, изменив направление под куполом, опускаются сквозь насадку, отдавая ей теплоту. Охлажденные газы выпускаются через нижнюю часть воздухонагревателя в дымовую трубу. После нагрева купола до температуры 1200—1400 °С подачу колошникового газа в этот нагреватель прекращают и в воздухонагреватель снизу вверх пропускают воздушно-кислородную смесь, которая нагревается, проходя через горячую насадку. После охлаждения насадки первого воздухонагревателя нагрев дутья переносят в соседний, а первый снова переключают «на газ» (на нагрев).

Выпускаемый из доменной печи шлак по желобам поступает в литые стальные шлаковые ковши, а чугун — в чугуновозные ковши вместимостью 80—100 т, футерованные шамотным кирпичом; их устанавливают на железнодорожных платформах. Передельный чугун перевозят в этих ковшах в сталеплавильный цех и заливают в миксер — цилиндрическое хранилище жидкого чугуна, вмещающее иногда до 2000 т. Миксер выложен шамотным кирпичом; он может наклоняться, а в случае необходимости и обогреваться газовыми форсунками.

Литейный чугун отвозят к разливочной машине, где его разливают в изложницы, закрепленные на непрерывно движущемся наклонном конвейере. Чтобы ускорить охлаждение чугуна, изложницы после затвердевания в них чугуна орошают холодной водой, и затем при повороте конвейера пятидесятикилограммовые чушки выпадают из изложниц на железнодорожные платформы.