7.3. Технология выплавки чугуна
Доменная печь (рис. 7.1) представляет собой шахтную печь круглого сечения, заключенную в металлический цельносварной корпус толщиной 25-30 мм в верхней и 35-50 мм в нижней части. Изнутри печь выложена (футерована) огнеупорным кирпичем.
Современная доменная печь состоит из колошника, шахты, распара, заплечиков и горна. В верхней части печи на колошнике установлен засыпной аппарат 1, служащий для засыпки шихтовых материалов, и газоотводные трубы 2, по которым отводится доменный газ.
Нижняя часть – горн имеет цилиндрическую форму. В верхней части горна расположены фурмы 3, через которые в печь подаются подогретый до 1000-1200 градусов воздух и природный газ. Нижняя часть горна, в которой собирается чугун и шлак, называют лещадью. Выше ее находится летка 5 для выпуска чугуна, а на высоте 3-3,5 м шлаковая летка 4. Обе летки забиваются огнеупорной массой, а перед выпуском чугуна пробиваются.
Сущность доменного процесса заключается в восстановлении оксидов железа, что обеспечивается непрерывным взаимодействием опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока горючих газов, образующихся при горении кокса в горне.
При нагревании шихты происходит удаление влаги и разложение карбонатов, а оксиды железа под действием газов СО, Н2 и твердого углерода кокса постепенно превращаются в железо по схеме F2O3, F3O4, FeO, Fe.
Основной и важнейший процесс в горне доменной печи – сжигание углерода кокса. В результате горения кокса выделяется необходимое для процесса тепло, образуются восстановительные газы и освобождается объем, что способствует движению шихты сверху вниз. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Постоянно контактируя с доменным газом и раскаленным коксом, губчатое железо, восстановленное из кусков агломерата, окатышей или руды, постепенно насыщается углеродом. При 1135 градусах в железе может растворяться 4,3% углерода.
Науглероживание железа, т.е. насыщение его углеродом, в основном, происходит в области заплечиков печи. Здесь образуются капли сплава FeC, которые струйками стекают в горн печи. При движении вниз жидкий металл соприкасается с кусками раскаленного кокса, происходит растворение углерода в железе, концентрация углерода повышается до 3,5-4,5%. Кроме углерода в расплав железа переходят восстановленные частично кремний, марганец, фосфор и сера. Этот многокомпонентный сплав железа назван чугуном. В зависимости от состава шихты в чугуне могут быть также хром, никель, ванадий, титан, медь и мышьяк.
Выпуск продуктов плавки производится раздельно: чугуна – через каждые 1,5-2 часа, шлака – 1 час. Чугун выпускается в чугуновозные ковши и транспортируется для разлива в чушки или для дальнейшей переработки в сталеплавильные цехи. Доменная печь работает непрерывно в течение 10-12 лет, после чего подвергается капитальному ремонту.
Материальный баланс доменной плавки
Составление материального баланса плавки основывается на фундаментальном законе химии – законе сохранения вещества, открытом М.В. Ломоносовым, согласно которому масса всех веществ, вступающих в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
Для проектируемых печей при составлении баланса пользуются данными, полученными в расчетах шихты, колошникового газа и дутья. Баланс обычно сходится с небольшой неувязкой порядка 0,5–1,0 %. В качестве примера ниже представлен материальный баланс доменной плавки: