книги / Металлургия черных и цветных металлов
..pdfтепла на восстановление трудновосстановимых окси
дов. |
Повышение-температуры |
||
дутья |
изменяет |
размеры |
зон |
верхней, резервной и |
ниж |
||
ней |
ступени |
теплообмена, |
|
уменьшается |
окислительная |
||
зона у фурм и |
увеличивается |
||
зона |
пониженных температур |
в объеме печи из-за лучшего теплообмена в нижней части. Сход шихтовых материалов при изолированном примене нии этого мероприятия может затрудняться. По своему сум марному воздействию повыше ние температуры дутья сходно с ростом в нем концентрации
кислорода |
(за' |
исключением |
|
|||||
резкого |
снижения |
количества |
|
|||||
гага в печи в последнем слу |
|
|||||||
чае) . |
|
|
|
|
его |
приме |
|
|
Эффективность |
|
|||||||
нения |
возрастает |
при |
исполь |
|
||||
зовании |
совместно с |
введе |
|
|||||
нием |
топливных добавок повы |
|
||||||
шенного |
давления газа |
в печи. |
|
|||||
В этом случае нагрев дутья до |
|
|||||||
высоких |
|
температур |
необхо |
|
||||
дим и для того, чтобы в более |
|
|||||||
полной |
мере обеспечить |
сни |
|
|||||
жение |
расхода |
кокса, |
вызван |
|
||||
ное |
другими |
|
причинами. |
|
||||
В связи |
с |
этим |
интенсифика |
Рнс. 11.21. Воздухонагреватель с выносной |
||||
ция доменного |
процесса |
пре |
камерой горения: |
дусматривает и использование |
/ — камера |
насадки; |
2 — камера горения; |
|
3 — штуцер |
клапана |
горячего дутья; |
4 — |
|
более сложных сочетаний ряда |
штуцер газовой горелки.; 5 — штуцер |
ды |
||
мероприятий. Кроме совершен- |
мового клапана |
* |
|
вования процесса режимами комбинированного дутья высоких параметров, в отечественной
практике применяют ведение процесса на повышенных до 1200 °С температурах горячего дутья с умеренным обогащением его кислородом (до 23—25 % Ог) и давлением газа на колош нике до 0,25—0,30 МПа, достигаемых на .базе тщательной под
готовки Ш ихтовых материалов к плавке.
Техническим условием достижения таких температур дутья является в этом случае переход на работу с воздухбнагревате-
9!
лями, футерованными высокоогнеупорными материалами в вы сокотемпературной зоне, нагреваемой в верхней части стен и на куполе до 1500 °С (рис. 11.21). В качестве материалов для подкупольной части применяют специальный высокоглиноземи стый кирпич или малоразрыхляющийся динас.
§ 2. Технико-экономические показатели доменного процесса
К основным показателям работы доменных печей относятся их суточная производительность и расход кокса на 1 т выплавляе мого чугуна. Благодаря улучшению, подготовки сырья, форси рованию хода доменной плавки, совершенствованию технологии и введению автоматизации, эти показатели непрерывно улуч шаются. Для сравнительной оценки производительности домен ных печей различного объема в СССР пользуются величиной коэффициента использования полезного объема печи (к.и.п.о.). Он определяется из отношения полезного объема печи (V, м3)
кее суточной производительности (Р, т передельного чугуна):
К.и. п. о. = V/P, м3/(т • сут).
Обычно для расчета используют значения среднемесячной производительности, деленной на календарное число суток, ис ключая плановую продолжительность капитальных ремонтов. При выплавке в доменной печи других продуктов производи тельность пересчитывают на передельный чугун, пользуясь пе реводными коэффициентами. Чем ниже к.и.п.о., тем произво дительнее работает доменная печь. В настоящее время к.и.п.о, на передовых печах СССР резко улучшился и составляет 0,42—0,44.
Производительность доменной печи данного объема зависит от интенсивности плавки и удельного расхода кокса. Наиболее распространенным в отечественной практике показателем ин тенсивности плавки является отношение количества топлива, израсходованного за сутки, к полезному объему печи, т/(м3Х Хсут):
/с = (Ск/( + Сд<Зд)/10(Ж, |
(11.7) |
где Си и Сд — содержание углерода в коксе и углеродсодержа щих добавках, %; К и (2Д— суточный расход кокса и углерод содержащих добавок, т. Интенсивность доменной плавки, опре деленная таким способом, достигает 0,95—1,25 т углерода в сутки на 1 м3 объема печи. Важнейшим показателем домен ной плавки, определяющим экономичность ее работы, служит удельный расход кокса. Его величина влияет на производитель ность печи, а также показывает использование химической и тепловой энергии в ее рабочем пространстве. В удельном рас ходе кокса проявляются техническое совершенство печи, сте пень подготовки исходных материалов и эффективность ведения
процесса. Следует помнить, что стоимость кокса составляет бо лее половины общей стоимости чугуна. В настоящее время рас ход кокса является экономичным, составляя около 550 кг/т, но имеет еще существенные резервы для его уменьшения.
Рассмотренные показатели оценивают работу доменной печи с технической точки зрения и не характеризуют в полной мерс эффективность организации труда и производства, в том числе в смежных отраслях, отражающихся на показателях доменного производства. Для более полной экономической оценки работы трудового коллектива доменного цеха служат показатели про изводительности труда и себестоимости чугуна. Производитель ность труда выражают годовой выплавкой чугуна на одного члена трудового коллектива. На современных заводах она со ставляет более 8 тыс. т/чел. Средняя себестоимость включает следующие основные затраты, %: исходные материалы 42, тех нологическое топливо 50, заработная плата 1,5, амортиза ция 1,5.
§ 3. Внедоменная обработка чугуна
Цель внедоменной обработки чугуна вначале состояла в ча стичном перенесении процесса его десульфурации из доменной печи в ковш вследствие снижения производительности домен ных печей при получении продукта с более низким содержа нием серы. Однако позже на первый план вышла возможность достижения при внедоменной обработке таких содержаний серы, обеспечение которых в самой доменной печи нецелесооб разно, а часто и невозможно — до 0,02 и даже 0,01 % и ниже. Была показана технологическая и экономическая целесообраз ность глубокой внедоменной десульфурации чугуна, отвечаю щей возросшим требованиям к составу металла, выплавляемого в кислородных конвертерах. Удовлетворительные результаты достигались при применении различных десульфурирующих реагентов, таких как сода Ыа2СОз, магний, карбид кальция, по рошкообразная известь и др. Внедоменная десульфурация поз воляет при их применении удалить из чугуна 50—95 % нахо
дящейся в нем серы.
При разработке вариантов наиболее полной десульфурации чугуна, которую целесообразно организовать непосредственно у его потребителя — в кислородно-конвертерном цехе в зали вочных ковшах на специальных стендах, могут работать две системы пневматической подачи десульфураторов, действующих совместно или по отдельности. По одной системе подают мелко зернистый материал с хорошей текучестью, а по другой — круп нозернистый материал во взвешенном состоянии. Кзк десуль фурирующие агенты используются смеси СзС2 с газоотделяю щими добавками, гранулы Na2C 03, покрытые солями, смеси
СаО с гранулами магния со смешением в погружной фурме; сначала гранулы алюминия, затем без перерыва мелкая СаО. Производительность установки, в значительной степени автома тизированной и управляемой ЭВМ, составляет 6000 т чугуна в сутки. Максимальное исходное содержание серы 0,300% сни жается до 0,001 %.
Как рафинирующий агент для удаления серы и фосфора одновременно используют соду с расходом от 2 до 10 кг/т, при этом степень дефосфорации составляет 80%, при дальнейшем увеличении расходов соды она возрастает слабо. Степень де фосфорации для низкокремнистых чугунов, прошедших обескремнивание, оказывается достаточно высокой. Показатель рас пределения фосфора т]р = (Р20б)/[Р] увеличивается с повыше нием основности шлака и понижением температуры и при температуре металла 1200—1250 °С и основности, равной 2, на ходится в пределах 300—800.
Дефосфорация чугуна происходит по реакции: 5Na2C03 + 4 [Р] - 5 (NaeO) ^ 2 (Р А ) + 5 [С].
Степень дефосфорации зависит от .содержания кремния в чу гуне и расхода соды и составляет 60—90 %. Так, при начальном содержании фосфора в чугуне 0,090 % количество его после об работки равняется в среднем 0,015%. Температура при обра ботке несколько снижается. Так, при начальной температуре 1370 °С конечная была 1326 °С. Если удаление серы при при менении основного шлака на базе СаО является недостаточ ным, то для достижения желаемого уровня десульфурации в чу гун вдувают малые количества карбида кальция.
Таким образом, при правильно и тщательно организованной внедоменной комплексной обработке чугуна перед поступле нием его в конвертер могут быть достигнуты очень низкие со держания кремния, фосфора и серы, например 0,02 % Si, 0,005% Р и 0,01 % S и менее. Это является особенно целесооб разным, если в конвертере получают очень чистую сталь, в том числе и по содержанию углерода.
Вопросы для самопроверки
1. Показать ориентировочным расчетом, что по мере повышения темпера туры дутья в доменной печи снижение расхода кокса относительно уменьша ется.
2.Количество дутья в доменной печи составляет большую долю от массы загружаемой шихты — около 70%. Подтвердить необходимость такого отно сительного количества дутья расчетом.
3.В каких зонах доменной печи и при взаимодействии с какими железо рудными материалами могут улучшаться условия восстановления оксидов железа при дополнительном повышении давления газовой фазы?
4.Объяснить, почему на новых доменных печах, работающих на офлюсо ванной железорудной шихте и по усовершенствованной технологии, показа
тель состава газа (Н20+С02)/(Н2+Н20+С0+С02) при 700-900 “С может соответствовать более полному превращению СО в С02 н Н2 в Н,0 чем это
С(смДриТ И11Л)ВН0ВеСН0Й ЛИНИИ вюститжелез° |
Диаграмме восстановления |
5. Провести анализ условий теплопередачи в доменной печи конвекцией
исопоставить возможные соотношения температур газа, шихть. и колошника
6.Определить максимальную (расчетную) экономию кокса при частичной замене его природным газом с дополнительным введением в дутье кислорода.
Сравнить с практически достигаемой экономией кокса на 1 м3 природного
7. Рассмотреть варианты и целесообразность или нецелесообразность ис пользования в доменной печи горючих газов металлургического производ ства — колошникового газа доменной печи и конвертерного газа, образующе гося по схеме без его дожигания. В чем трудности и препятствия для исполь зования этих газов в случае определения вариантов как целесообразных?
Рекомендательный библиографический список |
|
|
|
Вегман Е. Ф. Краткий справочник доменщика — М.: Металлургия |
1981 — |
||
239 с. |
|
’ |
|
Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. Металлургия чугуна.— |
|||
М.: Металлургия, 1989.— 480 с. |
СССР, |
ИМЕТ |
|
И. П. |
Бардин и отечественная металлургия. АН |
||
им. А. А. Байкова.— М.: Наука, 1983.— 254 с. |
процессов.— М.: |
||
Туркдоган Е. Физическая химия высокотемпературных |
|||
Металлургия, |
1985.— 343 с. |
|
|
ВНЕДОМЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ Раздел III ЖЕЛЕЗА И СПЛАВОВ
$ 1. Классификация внедоменных способов получения железа и сплавов
Двухстадийный |
процесс получения |
стали — производство |
чу |
|
гуна в доменных печах и стали в |
сталеплавильных |
агрега |
||
тах— является |
в настоящее время |
основным. Вместе |
с |
тем |
наряду с совершенствованием этих процессов во всем мире ин тенсивно ведутся работы по изысканию эффективных и конку рентноспособных доменному производству прямых способов по лучения железа и сплавов.
Существующие внедоменные способы можно классифицировать по ряду признаковтемпературе, способу организации движения шихтовых материа лов виду восстановителя, исходного и конечного продуктов, размеру оксид ных частиц и др. Подобная классификация носит условный характер, но она полезна при определении места каждого из рассматриваемых способов и их
взаимной связи в общей схеме производства металла.
Используя то, что уже нашло распространение в литературе, можно при нять следующие классификации.
По температуре. Для металлов, оксиды которых плавятся при более низкой температуре, чем сам металл (например,
Fe—FeO), выделяют следующие три температурных интервала: первый — до температуры плавления оксида /“ е°; второй — от
температуры плавления оксида до температуры плавления ме-
талла |
и третий — выше |
Применительно к железу |
|||
первый |
интервал — до |
температуры |
плавления вюстита /£*° |
||
(1371 °С); |
второй — от |
до |
(1371 —1539 °С) и |
||
третий — выше |
(>1539 °С). Таким образом, в первом тем |
||||
пературном |
интервале |
восстановление протекает полностью |
в твердой фазе, в третьем — полностью в жидкой фазе, во вто ром при наличии твердой и жидкой фаз.
В реальных условиях применительно к металлургии железа границы температурных интервалов в зависимости от типа процесса могут изменяться. Например, наличие оксидов других металлов приводит к понижению температуры плавления ок сидной фазы. Жидкие шлаки в этом случае могут появляться при более низких, чем температурах, например при полу
чении кричного железа во вращающихся печах. При науглеро живании железа температура его плавления также снижается.
В первом температурном интервале для железа обычно вы деляют следующие две характерные температуры, определяю щие ряд особенностей, имеющих важное значение при разра ботке технологии процессов металлизации: температура пиро форности t„ и температура спекания tc.
При восстановлении оксидов железа ниже tn железо полу чается пирофорным, т. е. склонным ко вторичному самопроиз вольному окислению. На воздухе такое железо быстро окис ляется, а температура его заметно повышается. Скорость окис ления при этом может непрерывно возрастать, и металл самовозгорается. Пирофорность наблюдается для железа, вос становленного при температурах до 700—800 °С.
При температуре выше tc наблюдается спекание восстанов ленного железа. Так при восстановлении тонкоизмельченных железных руд или концентратов в процессе выделения железа происходит срастание мелких частиц в более крупные, что оп ределяет ряд требований к технологии.
По виду восстановителя. При газовом восстановлении ис пользуют как чистые газы (Н2, СО, СН4), так и сложные газо вые системы (СГС), например продукты конверсии природного газа, генераторный газ и другие.
При восстановлении твердым углеродом (Углеродотермиче ское восстановление) в установках прямого получения металла используют твердый углерод. Его применяют в составе природ ных топлив, например кокса, угля, или в элементарном виде (графит, сажа, пироуглерод, другие модификации). Иногда по добные установки называют установками прямого восстановле ния. Термин прямое восстановление не имеет физико-химиче-
ского обоснования и перешел из работ по анализу процессов в доменной печи, где он используется для того, чтобы отличить восстановление оксидов железа газом и твердым углеродом.
Восстановление углеродом, растворенным в металле, ис пользуют в внедоменных способах для восстановления окси дов. При производстве некоторых металлов восстановление их оксидов осуществляется другими металлами (металлотермия).
Процессы прямого получения металла можно также класси фицировать по характеру нахождения материала в реакторе,
при этом выделяют способы, где в реакторе реализован режим слоевого восстановления. Слой материалов может быть, дви жущимся и неподвижным. Имеются реакторы, где восстановле ние оксидов идет во взвешенном состоянии и в барботируемом расплаве.
§ 2. Энергетическое обеспечение процессов прямого получения металлов
Перед тем как рассматривать конкретные процессы, рассмот рим общую картину энергетического обеспечения производства, поскольку энергетические затраты являются важным вопросом при создании различных способов и оценке их экономичности.
Способы прямого получения металла и соответствующие установки можно представить состоящими из двух частей: уста новка получения восстановительного газа (реактор-преобразо ватель) и восстановительный реактор, где осуществляется вос становление оксидов газом или углеродом.
Различные способы отличаются главным образом только пу тями взаимодействия этих реакторов. На рис: III.1 приведена принципиальная схема газовых (энергетических) потоков про цессов газового восстановления. Два устройства (реактор-пре образователь и реактор-восстановитель) снабжаются газом (энергией) для двух различных целей: для восстановления и для получения восстановительного газа (в большинстве случаев путем конверсии). На схеме показано движение потоков газа, преобразованного (конвертированного) газа и отходящих газов. Входящий природный газ (основа СН<) превращается в газ, содержащий СО и Н2, и направляется в реактор-восстанови тель, который может быть шахтной печью, ретортой, реактором
с кипящим слоем или другим реактором.
Газ, выходящий из реактора-восстановителя, может быть снова использован для восстановления или сразу, или после дополнительной конверсии, а также для энергетического обес печения реакторов. Реактор-преобразователь можно отапливать и другим газом или использовать для этого другие источники энергии. Среди способов прямого получения металла с газовым восстановлением наибольшее распространение в промышленных
Рис. II1.1. Схема газовых (энергетических) потоков при прямом получении же леза
масштабах получили способы восстановления в шахтных печах и ретортах: Мидрекс-процесс, процесс Виберга и его разновид ности, процесс Хоялата и Ламина, а также процессы с кипящим слоем.
§ 3. Прямое получение металла в шахтных печах
Мидрекс-процесс осуществляется в шахтной печи, в которой газ-восстановитель и железорудный материал движутся на встречу друг другу. Этот способ является основой производ ства Оскольского электрометаллургического комбината
(ОЭМК).
Схематически получение стали из руды показано на рис. III.2. Железная руда с рудника поступает на горнообогательный комбинат. Руда проходит стадии дробления, измельчения и обогащения, в результате получают концентрат. На тарель чатых грануляторах из концентрата производят окатыши, кото рые подвергают упрочняющему обжигу в шахтных печах. Упрочненные окатыши загружают сверху в шахтные печи. В печь подается газ-восстановитель, который получают путем конверсии природного газа в установке конверсии. Восстанов
ление ведется при температуре ~750 |
°С. |
|
Из зоны восстановления металлизованные окатыши опуска |
||
ются в |
зону охлаждения, куда подают колошниковый газ |
|
в смеси |
с природным. Отходящие |
из печи газы добавляют |
к природному газу, который идет на конверсию. Часть колош никового газа также вместе с природным газом сжигают для обогрева установки конверсии. Металлизованные окатыши вы гружают из шахтной печи и направляют в электропечи для вы плавки стали. ОЭМК в настоящее время является крупнейшим в мире заводом прямого получения стали из окатышей.
С/77а/7г>
Рис. III.2. Схема прямого получения стали на руды Мидрекс-процессом (о) |
рас |
пределение энергетических потоков в Мидрекс-процессе (б): |
|
Цифры в скобках — количество тепла, МДж/т железа |
|
Процесс Виберга разработан и реализован в 1920 г. в Шве ции, является непрерывным и осуществляется в шахтной печи, работающей по принципу противотока — железорудный мате риал движется сверху вниз, а газ-восстановитель — снизу вверх. На рис. II 1.3 приведена, схема взаимодействия агрегатов про цессов Виберга. Восстановительный газ, содержащий 67 % СО, 28,5 % Н2, 3 % С02, 1,5 % Н20, поступает в нижнюю часть печи при температуре ~ 1200 К, проходит через шихтовые мате риалы, нагревая и восстанавливая оксиды железа. На некото рой высоте шахты, где железо и вюстит находятся в равнове-
|
|
сии с газовой фазой, большая |
|||||||||
|
|
часть |
газов |
выводится из печи. |
|||||||
|
|
Оставшийся |
газ |
проходит че |
|||||||
|
|
рез шахту вверх и восстанав |
|||||||||
|
|
ливает |
высшие |
оксиды |
же |
||||||
|
|
леза* до |
вюстита. |
Газ |
(48 % |
||||||
|
|
СО, |
20,5 % Нв, |
22 |
% |
|
С02, |
||||
|
|
9,5 % НаО), выведенный из |
|||||||||
|
|
средней |
части |
печи, |
смешива |
||||||
|
|
ется с водяным паром и про |
|||||||||
|
|
ходит |
через |
слой |
нагретого |
||||||
|
|
кокса |
в |
карбюризаторе |
для |
||||||
|
|
повышения |
|
его |
восстанови |
||||||
|
|
тельного |
потенциала. |
В |
кар |
||||||
|
|
бюризаторе каждый моль С02 |
|||||||||
|
|
за счет |
реакции |
с углеродом |
|||||||
|
|
кокса образует два моля СО. |
|||||||||
|
|
Водяной |
пар |
также |
взаимо |
||||||
|
|
действует |
с |
коксом, |
образуя |
||||||
Рис. III.3. |
Схема движения и изменения |
Н2. После |
выхода из |
генера |
|||||||
состава оксидов железа в процессе Ви- |
тора газы проходят через слой, |
||||||||||
берга: |
|
||||||||||
/ — зона |
подогрева; // — зона предвари |
нагретого |
доломита |
для |
уда |
||||||
тельного |
восстановления: /// — зона вос |
ления |
серы, |
попадающей в га |
|||||||
становления; IV — зона охлаждения |
|||||||||||
По |
|
зовую фазу |
из |
кокса. |
разде |
||||||
характеру восстановления шахтную |
печь можно |
лить на три зоны. В нижней зоне вюстит восстанавливается до железа за счет СО и Н2, поступающих из газогенератора. Ос тавшийся после частичного вывода из печи газ после зоны вос становления поступает в зону предварительного восстановле ния, где гематит восстанавливается до магнетита и магнетит — до вюстита. Состав рециркулирующего газа примерно соответ ствует равновесному в системе вюстит — железо — СО — С02. В верхней части в печь вдувается воздух для дожигания остав шихся газов и за счет этого тепла происходит подогрев шихты.
Количество подаваемой шихты рассчитывают таким обра зом, чтобы на выходе из печи железная руда была полностью восстановлена, а газ, покидающий восстановительную зону, был по составу близок к равновесному с тем, чтобы не иметь бесполезной вюститной резервной зоны.
На рис. III.3 показано схематически изменение соотноше ния оксидов железа при переходе от одной зоны к другой по высоте печи. Нагрев карбюризатора осуществляется за счет электроэнергии. Восстановленное губчатое железо охлаждается в нижней части печи до 100—150 °С и непрерывно выгружается из печи. Производительность одной установки около 25 тыс. т губчатого железа в год. На 1 т губчатого железа расходуется 150 кг кокса, около 900 кВт-ч электроэнергии.