доменное производство. доменный процесс
Доменное производство⁚ Обзор процесса
Доменный процесс – это сложная технологическая цепочка, основанная на восстановлении железа из железных руд при высоких температурах в доменной печи. Он включает в себя загрузку шихтовых материалов – руды, кокса и флюса – и их плавку с помощью горячего воздуха. В результате образуется чугун и шлак, которые затем разделяются. Это непрерывный циклический процесс, требующий точного контроля параметров.
Сырье и его подготовка
Для доменного процесса требуется высококачественное сырье, правильная подготовка которого критически важна для эффективности всего процесса. Основными компонентами шихты являются железная руда, кокс и флюс; Железная руда – это исходный источник железа, и ее качество существенно влияет на качество получаемого чугуна. Различные типы руды, такие как гематит, магнетит и лимонит, содержат разное количество железа и примесей, что требует индивидуального подхода к их подготовке. Перед загрузкой в доменную печь руду подвергают обогащению, чтобы повысить содержание железа и снизить содержание пустой породы. Этот процесс может включать дробление, измельчение, флотацию и магнитную сепарацию. Цель – получить концентрат с максимально возможным содержанием железа и минимальным количеством вредных примесей, которые могут негативно сказаться на качестве чугуна и работе печи.
Кокс, являющийся восстановителем в доменном процессе, производится из каменного угля путем коксования. Его качество определяется такими показателями, как прочность, реакционная способность и зольность. Прочность кокса необходима для обеспечения проходимости газов в шихте и предотвращения разрушения структуры шихтового столба. Реакционная способность кокса определяет скорость его взаимодействия с кислородом и диоксидом углерода, влияя на интенсивность процесса восстановления железа. Низкая зольность кокса желательна, так как зола может накапливаться в печи и ухудшать ее работу. Перед использованием кокс сортируют по фракциям, обеспечивая оптимальное распределение его размеров в шихте для обеспечения равномерного распределения газов и тепла.
Флюс, обычно известняк или доломит, добавляется в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и образования легкоплавкого шлака. Шлак удаляет из процесса примеси, содержащиеся в руде, предотвращая их попадание в чугун и снижая качество металла. Выбор типа флюса зависит от химического состава руды и требуемых свойств шлака. Флюс также подвергается подготовке, включающей дробление и измельчение для обеспечения равномерного распределения в шихте. Правильное соотношение руды, кокса и флюса – один из ключевых факторов, определяющих эффективность доменного процесса и качество получаемого чугуна. Неправильный состав шихты может привести к снижению производительности, ухудшению качества металла и проблемам в работе доменной печи.
Процесс плавки в доменной печи
Доменная печь представляет собой грандиозное сооружение, внутри которого происходит сложный физико-химический процесс восстановления железа из руды. В верхней части печи, через загрузочные устройства, непрерывно подается шихта – тщательно подобранная смесь железной руды, кокса и флюса. Горячий воздух, предварительно нагретый до высокой температуры (до 1200°C) в воздухонагревателях, подается через фурмы, расположенные в нижней части печи. Воздух, взаимодействуя с коксом, вызывает его горение, выделяя огромное количество тепла, необходимого для поддержания высоких температур в печи и протекания эндотермических реакций восстановления железа. В результате горения кокса образуются восстановительные газы – монооксид углерода (CO) и водород (H2).
Эти газы поднимаются вверх по шахте печи, проходя через слои шихты. По мере движения восходящих газов происходит постепенное нагревание шихты и ряд последовательных химических реакций. В первую очередь, происходит разложение карбонатов в флюсе, после чего начинается процесс восстановления оксидов железа. Монооксид углерода, являясь мощным восстановителем, взаимодействует с оксидами железа, превращая их в металлическое железо. Этот процесс происходит в несколько стадий, с постепенным снижением степени окисления железа. Параллельно протекают реакции образования шлака, который является продуктом взаимодействия флюса с пустой породой из руды и другими примесями.
Высокая температура в печи (до 2000°C в районе фурм) обеспечивает плавление восстановленного железа и шлака. Расплавленное железо, будучи более тяжелым, стекает вниз к горну печи, накапливаясь в нем; Шлак, имеющий меньшую плотность, плавает на поверхности расплавленного железа, защищая его от окисления. Периодически, через специальные желоба, расплавленный чугун и шлак выпускаются из печи, а процесс непрерывной загрузки шихты и продувки горячим воздухом продолжается. Эффективность процесса плавки в доменной печи зависит от множества факторов, таких как качество сырья, параметры воздуходувок, температура в различных зонах печи, и гранулометрический состав шихты. Постоянный контроль и регулирование этих параметров необходимы для обеспечения стабильной работы печи и получения качественного чугуна.
Получение чугуна и шлака
В горне доменной печи, самой нижней и наиболее горячей ее части, накапливаются два расплавленных продукта⁚ чугун и шлак. Чугун, основной продукт доменного процесса, представляет собой железоуглеродистый сплав, содержащий от 3,5 до 4,5% углерода, а также другие примеси, такие как кремний, марганец, фосфор и сера. Содержание этих примесей зависит от состава исходной руды и условий плавки. Высокая температура в горне (до 1500-1600°С) обеспечивает достаточную текучесть расплавленного чугуна, что облегчает его выпуск из печи. Важно отметить, что чугун, получаемый в доменной печи, является сырьем для дальнейшей переработки, так как содержит значительное количество примесей, снижающих его механические свойства.
Шлак, второй продукт доменного процесса, образуется в результате взаимодействия флюса с пустой породой, содержащейся в железной руде, а также с другими примесями. Флюс, как правило, это известняк или доломит, вводится в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и образования легкоплавкого шлака. Шлак играет важную роль в процессе плавки, так как он растворяет многие примеси, содержащиеся в руде, и защищает расплавленный чугун от окисления. Состав шлака тщательно контролируется, так как он оказывает влияние на качество получаемого чугуна. Оптимальный шлак должен обладать достаточной текучестью для свободного стекания из печи и низкой температурой плавления, обеспечивающей эффективное растворение примесей. Кроме того, химический состав шлака должен быть таким, чтобы обеспечивать оптимальную защиту чугуна от окисления.
Выпуск чугуна и шлака из доменной печи осуществляется периодически, через специальные желоба. Процесс выпуска контролируется по нескольким параметрам, включая температуру расплавов, состав шлака, и скорость выпуска. После выпуска, чугун направляется в ковш, а шлак – в шлакоотвал. Шлак, несмотря на то, что он является отходом доменного производства, находит широкое применение в различных отраслях промышленности, в т.ч. в качестве вяжущего материала в строительстве, а также в производстве минеральных удобрений и других материалов. Таким образом, получение чугуна и шлака – это заключительная, но очень важная стадия доменного процесса, определяющая эффективность всего технологического цикла и качество получаемой продукции.