4.2.1 Сырьевые материалы и их подготовка к плавке. В качестве сырья для получения железа используют руды, которые делят на четыре типа: 1. Красные железняки – гематит – Fe2O3; 2. Магнитные железняки – магнетит – Fe3O4; 3. Бурые железняки – гидроксиды железа – Fe2O3 nH2O; 4. Сидериты – FeCO3. Пустая порода большинства руд состоит в основном из SiO2, и в меньшем количестве присутствуют Al2O3, CaO, MgO. В железных рудах есть в небольших концентрациях полезные (Mn, V, Cr, Ni) и вредные (S, P, As, Zn) примеси. Качество руды или ее металлургическая ценность, определяющая затраты доменного цеха на проплавку рудного материала зависит от содержания (количество пустой породы), состава пустой породы, содержания вредных и полезных примесей. Современное доменное производство предъявляет к железорудным материалам повышенные требования по гранулометрическому и химическому составу, по содержанию примесей, по прочности и пр. В состав шихты доменной плавки входит руда (большей частью в форме агломерата или окатышей) и отходы других производств, содержащие повышенное количество железа: колошниковая пыль, скрап, окалину, пиритные огарки (отходы сернокислотного производства) и др. От тщательности подготовки сырьевых материалов зависит производительность печи, расход кокса и качество получаемого чугуна. Основной целью подготовки сырья к доменной плавке является доведение содержания железа в рудной части шихты до 64-67 %. Поэтому практически все добываемые железные руды подвергаются полному комплексу подготовки: дробление, измельчение, грохочение, классификация, обогащение, усреднение, окускование. Подготовка основной массы руды начинается с ее обогащения, перед которым руда проходит стадии дробления и измельчения. Размер кусков измельченной руды определяется способом ее дальнейшей переработки. Для доменной плавки руда должна иметь крупность 40-100 мм, для агломерации – 6-10 мм, для обогащения до 0,1 мм. Размеры кусков руды, поступающей с рудников, достигает 1 м и более.
42
Для дробления руд используют различного рода дробилки, а для измельчения – шаровые мельницы. Для сортировки материалов по крупности применяют грохоты различных конструкций, а для разделения по крупности материалов мельче 1 мм используют методы гидравлической классификации. Обогащение железных руд проводят для повышения содержания в сырье железа за счет удаления части пустой породы и для этого используют промывку, гравитацию, магнитную сепарацию и редко флотацию. Промывкой обогащают руды, пустая порода которых состоит из песчаных и глинистых включений и ее использование может повысить содержание железа в сырье на 2-9 %. Гравитационное обогащение представляет собой разделение руды в тяжелых жидких суспензиях, плотность которых больше плотности пустой породы и меньше плотности рудных минералов. Магнитное обогащение – самый распространенный способ обогащения железных руд в отечественной металлургии: с его помощью получают до 90 % железорудного концентрата. Для этого используются барабанные или ленточные сепараторы, в которых частицы с высокой магнитной восприимчивостью отделяются от пустой породы. Окускование железных руд и концентратов проводят перед доменной плавкой, так как в этих печах допускается переработка материала крупностью 10-100 мм. Для этого используют два метода – агломерацию и сухую грануляцию (окатывание). Агломерация является основным способом окомкования железных руд и концентратов, и сейчас доля агломерата в шихте достигает 75 %. Агломерация процесс окускования мелких материалов путем их спекания. Спекание происходит за счет частичного расплавления наиболее легкоплавких компонентов шихты, расплав которых смачивает и при последующем охлаждении сваривает частицы тугоплавкой породы в прочный кусковой и пористый материал – агломерат. Окатыванием или холодной (сухой) грануляцией называют операцию укрупнения пылевидных материалов, при которой материал за счет его непрерывного окатывания и слипания превращается в шаровидные гранулы (окатыши), сохраняющие свою форму и размеры при дальнейшей переработке. Перед окатыванием материал увлажняют, а иногда добавляют связующие добавки: известь, сульфит целлюлоз
43
ный щелок сульфат натрия, и пр. В табл. 4.1. приведены составы руды Оленегорского месторождения и полученного из нее концентрата.
Таблица 4.1 - Химические составы руды и полученного концентрата
Мат Fe FeO Fe2O3 SiO2 CaO MgO Al2O3 P S ППП Руда Конц. 33,2 65,1 13,5 24,9 34,2 65,3 44,2 8,2 2,4 0,5 1,5 0,6 0,9 0,2 0,04 0,01 0,04 0,01 3,8 0,7
Из этой таблицы видно, что содержание железа в результате обогащения увеличилось в 2 раза, а количество пустой породы сократилось в 5,5 раз, благодаря чему во столько же раз сократится количество доменного шлака и расход топлива (кокса) на его плавление. 4.2.2 Доменное производство. Основным агрегатом для извлечения железа из руд является доменная печь (рисунок 4.1).
1 – скип; 2 – засыпной аппарат; 3 – кладка печи; 4 – система охлаждения; 5 – воздухопровод; 6 – отверстие для выпуска шлака; 7 – отверстие для выпуска чугуна; 8 – чугуновозный ковш; 9 – шлаковозный ковш
Рисунок 4.1 – Доменная печь
Верхняя часть печи называется колошником (К). Основной ча
44
стью печи по объему является шахта (Ш), представляющая собой усеченный конус. Самая широкая часть – распар (Р) переходит в заплечики (З), а самой нижней частью печи является горн (Г). В верхней части горна равномерно расположено 30-40 фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздуховода подается в печь нагретый воздух. В нижней части горна расположены 2-4 отверстия для выпуска чугуна и шлака. Общая высота печи достигает 40-45 м, а диаметр распара – до 17 м. Загрузка доменной печи шихтой проводится скипами с помощью засыпного аппарата, который обеспечивает герметизацию печи от атмосферы. Шихта доменной печи состоит из трех компонентов в строго определенном соотношении: - железорудный материал – агломерат или окатыши; - кокс – главный источник тепла и реагент-восстановитель железа; - флюс – материал, снижающий температуру плавления пустой породы и золы кокса, в качестве которого чаще всего используют известняк СаСО3. Сущность доменного процесса заключается в том, что в верхней половине печи при умеренных температурах – 400-1100 С восстанавливаются оксиды железа из твердых кусков рудного материала. В расположенной ниже зоне с температурой 1100-1300 С – в так называемой зоне шлакообразования – происходит расплавление чугуна и пустой породы, которые стекают вниз и скапливаются в горне, разделяясь на две несмешивающиеся жидкие фазы. Доменный процесс противоточный: сверху вниз непрерывно опускаются материалы, а снизу вверх поднимается горячий газ, который нагревает шихту и участвует в восстановлении железа. Получение малоуглеродистого сплава железа (стали) в доменной печи невозможно, так как на всем пути движения железа до горна оно имеет непрерывный контакт с углеродом кокса и оксидом углерода доменного газа. Процесс плавки не прерывается, и доменная печь работает несколько лет. Современные доменные печи – высокопроизводительные агрегаты с высокой степенью механизации и автоматизации. Доменная печь объемом 5000 м3 имеет суточную производительность около 12000 т. чугуна (более 4 млн. т в год). 4.2.3 Химизм и механизм плавки. Доменная плавка является типичным восстановительным процессом. Условно все превращения
45
в доменной печи можно разделить на несколько стадий, основными из которых являются: горение углерода, и, по мере опускания шихты – термическое разложение компонентов, восстановление оксидов, образование чугуна и шлакообразование. Все эти стадии протекают одновременно на разных уровнях печи. Горение топлива (кокса, углеводородов природного и коксового газов, мазута) происходит за счет кислорода, вдуваемого в печь через фурмы. Основное количество теплоты выделяется при горении кокса, в результате чего в районе фурм создается температура около 2000 С:
С + О2 = СО2 + 393780 кДж.
Оксиды железа начинают восстанавливаться после нагревания до 250-400 С. Восстановление Fe2O3 до металлического железа происходит в диапазоне температур 570-900 С последовательно через промежуточные оксиды:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + 111 кДж/кг Fe Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 – 125 кДж/кг Fe FeO + CO = Fe + CO2 + 244 кДж/кг Fe По мере удаления от фурм начинает развиваться эндотермическая реакция
СО2 + С = 2СО – 2970 кДж/кг Fe.
Если восстанавливался FeO, то конечным результатом идущих последовательно вышеуказанных реакций будет их алгебраическая сумма
FeO + C = Fe + CO – 2726 кДж/кг Fe.
Эту последнюю реакцию, в результате которой образуется оксид углерода и железо, называют реакцией прямого восстановления. Реакции, конечным газообразным продуктом которых является диоксид углерода, называют реакциями косвенного восстановления железа. Следовательно, домну можно разбить на две зоны: - верхнюю, до горизонта с температурой около 1000 С, в которой идет косвенное восстановление железа, и
46
- нижнюю, где идет прямое восстановление железа. К моменту достижения шихтой горизонта с температурой 11001200 ºС значительное количество железа уже восстановлено, и в дальнейшем идет процесс науглероживания железа
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2.
Благодаря этому процессу в доменной печи невозможно получение малоуглеродистого сплава (стали), но образовавшийся высокоуглеродистый сплав железа с углеродом – чугун – имеет температуру плавления 1300 С, что на 230 С ниже, чем у железа. На различных горизонтах печи в железо переходит в небольших количествах кремний, марганец, фосфор, сера, а также ванадий, хром, никель и др. элементы. Готовый чугун в жидком виде собирается в металлоприемнике горна под слоем шлакового расплава. Шлакообразование начинает активно протекать после окончания процессов восстановления железа в области распара. Шлак образуется из оксидов пустой породы, золы кокса и добавляемых флюсов, которые при температуре 1400-1450 С обеспечивают жидкотекучесть шлаков. Шлак располагается над слоем чугуна и на 90 % состоит из CaO, SiO2 и Al2O3, а также небольших количеств FeO, MnO, MgO, CaS и других шлакообразующих компонентов.
