Доменное производство

Доменное производство, производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Д. п. - отрасль чёрной металлургии.

Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 вв. до н. э. Д. п. возникло в результате развития сыродутного процесса - "прямого" получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 в., а в России - около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 в. благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 в. До середины 18 в. единственное топливо в Д. п. - древесный уголь. В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

Основные этапы развития Д. п.: применение паровой воздуходувной машины (И. И. Ползунов, 1766), нагрев дутья (Дж. Нилсон, 1829), изобретение кирпичного воздухонагревателя регенеративного типа (Э. Каупер, 1857). В 1913 в России было выплавлено 4,2 млн. т чугуна и она занимала 5-е место в мире. В 1940 в СССР было выплавлено 15 млн. т чугуна (3-е место в мире), а с 1947 Советский Союз уступал только США. В 1970 СССР вышел на 1-е место в мире. Выплавка чугуна в СССР в 1971 составила 89,3 млн. т. Большую роль в развитии Д. п. в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин. Д. п. в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

Исходными материалами (шихтой) в Д. п. являются: железная руда, марганцевая руда, агломерат, окатыши, а также горючее и флюсы. Широкое применение в шихте доменных печей СССР получил офлюсованный агломерат (свыше 90%), который содержит 50-60% Fe при основности 1,1-1,3; расширяется применение офлюсованных окатышей. Важнейшие свойства железосодержащих шихтовых материалов, определяющие технико-экономические показатели доменной плавки: содержание железа, состав пустой породы, количество вредных примесей, а также гранулометрический состав, прочность и восстановимость. Основным горючим в Д. п. служит каменноугольный кокс. Получает распространение плавка с заменой части кокса газообразным, жидким или твёрдым топливом, вдуваемым в горн доменной печи. В качестве флюсов используется известняк, иногда доломит.
Основные виды чугуна, выплавляемого в доменных печах: передельный чугун, используемый для производства стали в сталеплавильных агрегатах; литейный, идущий для чугунных отливок; специальные чугуны. Побочные продукты Д. п.: доменный газ [теплота сгорания 3,6-4,6 Мдж/м³ (850-1100 ккал/м³)] после очистки от пыли используется для нагрева дутья в воздухонагревателях, а также в заводских котельных установках, коксохимических, агломерационных и некоторых др. цехах; доменный шлак находит применение главным образом в промышленности строительных материалов; колошниковая пыль, выносимая из печи и улавливаемая системой газоочистки, содержащая 30-50% Fe, возвращается в шихту доменных печей после её предварительного окускования (главным образом путём агломерации).
Доменный цех (рис. 1) завода с полным металлургическим циклом имеет, как правило, не менее 3 доменных печей с воздухонагревателями и системой газоочистки. Запас шихты (кокса на 6-12 ч, агломерата или руды, а также флюсов на 1-2 суток работы печей) хранится в бункерах эстакады (общей для всех доменных печей). На многих металлургических заводах в состав доменного цеха входит так называемый рудный двор, где хранится основной запас железных руд, укладываемых в штабеля рудными перегружателями. формирование штабеля и забор из него материалов производятся с учётом усреднения руд. В доменном цехе имеются также машины для разливки чугуна.
Доменная печь (рис. 2) представляет собой шахтную печь круглого сечения; футерована огнеупорной кладкой (верхняя часть шамотным кирпичом, нижняя - преимущественно углеродистыми блоками). Для предотвращения разгара кладки и защиты кожуха печи от высоких температур используют холодильники, в которых циркулирует вода. Кожух печи и колошниковое устройство поддерживаются колоннами, установленными на фундаменте.
Шихта подаётся на колошник печи скипами, реже ленточными конвейерами. Скипы разгружаются в печь через приёмную воронку и засыпной аппарат, установленный на колошнике. Воздух (дутьё) от воздуходувных машин подаётся в печь через воздухонагреватели (в которых нагревается до 1000-1200?С) и фурменные приборы, установленные по окружности горна. Через фурмы вводится также дополнительное топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).
Продукты плавки выпускаются в чугуновозные и шлаковые ковши через лётки, расположенные в нижней части горна. Образующийся в печи колошниковый газ отводится через газоотводы, расположенные в куполе печи (рис. 3).
Расстояние между осью чугунной лётки и нижней кромкой большого загрузочного конуса в опущенном состоянии называется полезной высотой доменной печи, а соответствующий объём - полезным объёмом доменной печи. Мощные доменные печи в СССР имеют полезный объём 2000-3000 м³ и являются одними из крупнейших в мире. Директивы по 9-му пятилетнему плану предусматривают строительство доменных печей объёмом 5000 м³.
Основные химические процессы в доменной печи - горение топлива и восстановление Fe, Si, Mn и др. элементов. Часть кокса расходуется на процессы восстановления, но основное количество опускается в горн и сгорает вместе с вдуваемым топливом у фурм. Газы с t 1600-2300?С, содержащие 35-45% CO, 1-12% H₂ и 45-65% N₂, поднимаясь по печи, нагревают опускающуюся шихту, при этом CO и H₂ частично окисляются до CO₂ и H₂O. Газы, выходящие из печи, имеют t 150-300?С.
Горение у фурм. У фурм доменной печи возникают очаги горения, называемые окислительными зонами, в которых вихревое движение газов приводит к циркуляции кусков кокса. Горение кокса развивается на поверхности контакта твёрдой и газообразной фаз. При этом кислород соединяется с углеродом в сложные комплексы С_хО_у, которые затем распадаются. В упрощённом виде суммарный процесс горения углерода твёрдого топлива у фурм сводится к экзотермической реакции 2C + O₂ = 2CO. При вдувании природного газа или мазута, в которых главной составляющей являются углеводороды (например, метан), протекает реакция с выделением CO и H₂; при этом поглощается значительная часть тепла, выделяемого при сжигании С, а следовательно, понижается температура горения у фурм. Во избежание этого необходимо повышать температуру дутья и обогащать его кислородом. Положительное влияние вдувания углеводородных топлив - в повышении концентрации водорода в газе и улучшении благодаря этому его восстановительной способности.
Восстановление железа и др. элементов. В доменной печи Cu, As, Р, подобно Fe, восстанавливаясь, почти полностью переходят в чугун. Полностью восстанавливается и Zn, который затем возгоняется, переходит в газы и отлагается в порах кладки, вызывая её разрушение. Те элементы, которые образуют более прочные соединения с кислородом, чем Fe, восстанавливаются частично или совсем не восстанавливаются: V восстанавливается на 75-90%, Mn на 40-75%, Si и Ti в небольших количествах, Al, Mg и Ca не восстанавливаются.
Восстановление поступающих в доменную печь окислов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ происходит путём последовательного отщепления кислорода по реакциям:
3Fe₂O₃ + CO (H₂) = 2Fe₃O₄ + CO₂ (H₂O),
Fe₃O₄ + CO (H₂) = 3FeO + CO₂ (H₂O).
Закись железа FeO восстанавливается до Fe газами (косвенное восстановление) и углеродом (прямое восстановление).
FeO + CO (H₂) = Fe + CO₂ (H₂O),
FeO + C = Fe + CO.
Высшие окислы марганца MnO₂, Mn₂O₃ и Mn₃O₄ восстанавливаются газами с выделением тепла. В дальнейшем MnO восстанавливается до Mn только углеродом с затратой тепла примерно в 2 раза большей, чем при восстановлении Fe. Si также восстанавливается только С при высоких температурах по эндотермической реакции:
SiO₂ + 2C + Fe = FeSi + 2CO.
Степень восстановления Si и Mn зависит в основном от расхода кокса; на каждый процент повышения содержания Si в чугуне расход кокса увеличивается на 5-7%, что увеличивает количество горячих газов в печи, вызывая перегрев шахты. Обогащение дутья кислородом, обеспечивая высокий нагрев горна, уменьшает количество образующихся газов, а следовательно, и температуру в шахте печи.
Сера в доменном процессе. S вносится в доменную печь в основном коксом и переходит в газы в виде паров (SO₂, H₂S и др.), но большая часть остаётся в шихте (в виде FeS и CaS); при этом FeS растворяется в чугуне. Для удаления S из чугуна необходимо перевести её в соединения, нерастворимые в чугуне, например в CaS:
FeS + CaO = CaS + FeO.
Это достигается образованием в доменной печи жидкоподвижных шлаков с повышенным содержанием СаО. Восстановительная среда благоприятно влияет на этот процесс, т.к. снижает содержание FeO в шлаке. Степень обессеривания достаточно высока, и только в некоторых случаях чугун дополнительно обессеривается вне доменной печи различными реагентами.
Образование чугуна и шлака. Восстановленное в доменной печи Fe частично науглероживается в твёрдом, а затем в жидком состояниях. Содержание C в чугуне зависит от температуры чугуна и его состава. Шлак состоит из невосстановившихся окислов SiO₂, AI₂O₃ и СаО (90-95%), MgO (2-10%), FeO (0,1-0,4%), MnO (0,3-3%), а также 1,5-2,5% S (главным образом в виде CaS). Для характеристики шлаков пользуются обычно показателем основности CaO/SiO₂ или (СаО + MgO)/SiO₂. Основность CaO/SiO₂ для разных условий плавки колеблется в пределах 0,95-1,35%. При выплавке чугуна на коксе с повышенным содержанием S (донецкий кокс) работают на шлаках с верхним пределом основности и стремятся обеспечить содержание MgO в шлаке 6-8% и более, улучшая его жидкоподвижность.
Работа доменной печи начинается с её задувки. При этом горн и заплечики загружаются коксом, а шахта - так называемой задувочной шихтой. В полностью загруженную печь подаётся нагретое дутьё (уменьшенное количество), кокс воспламеняется, и начинается опускание материалов. Первый выпуск чугуна и шлака производится через 12-24 ч, после чего количество дутья и рудная нагрузка (отношение массы руды к массе кокса в подаче) постепенно увеличиваются, и через несколько дней после задувки доменная печь достигает нормальной производительности.
Непрерывная работа (кампания) доменной печи от задувки до выдувки (остановки на капитальный ремонт) продолжается 5-6, а в некоторых случаях 8-10 лет и более, в течение которых печь 1-2 раза останавливается на так называемый средний ремонт для замены изношенной кладки шахты. Выплавка чугуна на мощных печах за одну кампанию достигает 5-8 млн. т чугуна и более.
Управление работой (ходом) доменной печи заключается в регулировании (в соответствии с качеством сырых материалов и видом выплавляемого чугуна) состава шихты, количества, температуры и влажности дутья, а также величины подачи или последовательности загрузки отдельных компонентов шихты и уровня засыпи. Ход доменной печи контролируется измерительными приборами, регистрирующими основные параметры загрузки, дутья, колошникового газа, температуру кладки печи на разных горизонтах.
Получили распространение плавка с вдуванием дополнительных видов топлива, обогащением дутья кислородом и работа с повышенным давлением колошниковых газов. При повышении давления на колошнике уменьшается перепад давлений между низом и верхом доменной печи; это обусловливает более ровный сход шихты, улучшает восстановительную работу газов, уменьшает вынос пыли.
Д. п. характеризуется высокой степенью автоматизации. На современной доменной печи автоматически осуществляются все операции шихтоподачи: набор компонентов шихты с отсевом мелочи, взвешивание, транспортировка на колошник и загрузка в печь по заданной программе. Автоматически поддерживаются оптимальный уровень засыпи и распределение шихтовых материалов на колошнике, давление колошникового газа, расход воды на охлаждение, температура и влажность дутья, а также содержание в нём кислорода и расход природного газа. Автоматизировано переключение воздухонагревателей и управление режимом их нагрева. Автоматические анализаторы обеспечивают непрерывную регистрацию состава колошникового газа и дутья. Внедряются системы автоматического регулирования подачи дутья и природного газа как по общему расходу, так и по отдельным фурмам.
Новые доменные печи оснащаются системами централизованного контроля и управления, которые обеспечивают усреднение показателей приборов и подсчёт комплексных показателей работы печи. Ведутся работы по комплексной автоматизации Д. п., в том числе управления тепловым режимом доменной печи с помощью ЭВМ.
Показатели работы доменной печи зависят главным образом от качества сырых материалов и степени подготовки их к плавке. Основные показатели: суточная производительность доменной печи в т и расход кокса на 1 т чугуна. В СССР производительность доменных печей иногда характеризуется коэффициентом использования полезного объёма (кипо), т. е. отношением полезного объёма в м³ к суточной выплавке передельного чугуна в т. Производительность доменной печи объёмом 3000 м³ - 7000 т чугуна в сутки. В 1970 средний кипо составил 0,597 (в некоторых случаях 0,43-0,45). Расход кокса на единицу выплавляемого чугуна имеет большое экономическое значение вследствие высокой стоимости кокса. Применение дополнительного топлива позволяет уменьшить расход кокса на 8-20% и снизить благодаря этому себестоимость чугуна. В СССР при выплавке передельного чугуна из хорошо подготовленной богатой железом шихты расход кокса 550-600 кг/т, а на некоторых заводах - не более 450-500 кг/т.
Совершенствование Д. п. направлено на улучшение подготовки сырых материалов к плавке, увеличение мощности (объёма) доменных печей, внедрение прогрессивной технологии, автоматического управления ходом доменной печи.
Лит.: Сборник трудов по теории доменной плавки, сост. М. А. Павлов, т. 1, М., 1957; Леонидов Н. К., Усовершенствование конструкций доменных печей, М., 1961; Доменный процесс по новейшим исследованиям. [Сб. ст.]. К 100-летию со дня рождения акад. М. А. Павлова, М., 1963; Доменное производство. Справочник, под ред. И. П. Бардина, т. 1-2, М., 1963; Готлиб А. Д., Доменный процесс, 2 изд., М., 1966.
? В. Г. Воскобойников, А. Г. Михалевич.