В доменной печи получают сталь

1.3. Производство стали

Сталь — важнейший конструкционный материал, используемый в машиностроении. Сталь это сплав железа с углеродом с содержанием его менее 2,14%. Обычно содержание углерода в стали не превышает 1,3%. Кроме углерода в стали всегда имеются и другие компоненты как полезные — улучшающие качество стали, так и вредные — ухудшающие ее свойства. Полезные добавки можно подразделить на технологические (вводимые в сталь любой марки) и легирующие (вводимые в сталь лишь некоторых марок).

К технологическим добавкам относят Mn до 0,9% для уменьшения красноломкости и Si до 0,5% для предотвращения пористости, связанной с возможностью образования пузырьков окиси углерода. Для надежного исключения пористости в сталь вводится также Al в количествах 0,02 — 0,05%. Для придания стали тех или иных свойств (жаростойкости, жаропрочности, износостойкости и др.) в сталь вводится Ni, Cu, Cr, W, V, Ni. Кроме того, в качестве легирующих добавок могут использоваться Mn и Si свыше 1%.

К вредным компонентам относятся S, P, Sn и др.

Классификация способов получения стали

Сталь может быть получена по двум схемам:

 двухстадийной схеме: вначале получают передельный чугун в доменных печах, а затем из передельного чугуна получают сталь. В настоящее время по этой схеме получают 98% всей стали;

 одностадийная схема: схема прямого получения стали из железной руды (руда — губчатое железо — сталь). В настоящее время по этой схеме получают лишь 2% стали.

1.3.1. Двухстадийная схема получения стали

Существуют три основных способа получения стали из передельного чугуна:

 в кислородных конвертерах: около 30% всей стали, производимой в нашей стране, получают этим способом.

 в мартеновских печах: этим способом производится около 50 % всей производимой в нашей стране стали.

 в электрических печах (дуговых и индукционных) 20%.

Для получения стали из передельного чугуна необходимо:

— уменьшить содержание углерода до заданного значения

— довести содержание Mn, Si и других элементов до установленных нормативных значений;

уменьшить содержание вредных примесей до минимального значения.

Получение стали в мартеновской печи

Мартеновская печь — это печь отражательного типа (рис.1.4.), пламенная, подовая, регенеративная. Мартеновская печь состоит из верхнего и нижнего строения. Верхнее строение, расположенное над рабочей площадкой цеха, состоит из плавильного пространства, головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоят из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Плавильное пространство ограничено передней стенкой с завалочными окнами, задней стенкой с выпускными отверстиями, подом и сводом. В торцах плавильного пространства расположены головки. Воздух, проходящий через один из регенераторов, нагревается до температуры 1100…1200 О С и поступает в головку печи, где смешивается с металлургическим топливом (природный газ, мазут): на выходе образуется факел пламени, направленный на шихту. Воздух нагревается до температуры 1100…1200 О С, проходя через один из регенераторов. Продукты горения, имеющие температуру 1500…1600 О С, проходят через противоположную головку, шлаковики (очистные устройства), служащие для отделения от газа частиц шлака и пыли.

Рис.1.4.Схема мартеновской печи:

Затем газы направляются во второй регенератор, нагревая его насадку до температуры1250…1289 О С. Охлажденные и очищенные газы покидают печь через дымовую трубу. В рабочем пространстве происходит смешение топлива с воздухом и сгорание его с образованием факела пламени, имеющего температуру t = 1800. 2000 О С. Мартеновские печи футеруются основными и кислыми огнеупорами.

В основных мартеновских печах выплавляют углеродистые, конструкционные, низко- и среднелегированные стали.

В кислых мартеновских печах выплавляют высококачественные стали. Поскольку в печах с кислой футеровкой нельзя навести основной шлак для удаления серы и фосфора, применяют шихту с низким содержанием этих элементов. Стали, выплавляемые в кислых мартеновских печах, содержат меньше водорода чем выплавленные в основных печах. Поэтому кислая сталь имеет более высокие механические свойства. Используют эту сталь для изготовления коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников и др.

Мартеновский процесс классифицируется:

— по типу футеровки (основные, кислые);

— по шихтовке (скрап процесс, скрап — рудный процесс).

Исходные материалы для получения стали в мартеновской печи: передельный чугун (твердый или жидкий), металлический лом, железная руда, флюсы (при основной футеровке — известняк, при кислой — кварцит).

Заметим, что основная масса стали, выплавляемая в мартеновских печах, приходится на печи с основной футеровкой. Температура в печи примерно t  2000 С. Мартеновскую плавку можно условно разбить на следующие этапы: заправку печи; завалку печи; плавление шихты; окислении кремния, марганца, железа (формирование металлургического шлака) кипение ванны; раскисление металла; доводка плавки; выпуск стали и шлака.

В мартеновских печах можно переплавлять в сталь чугун и скрап любого состава и в любой пропорции.

В зависимости от состава шихты мартеновский процесс делят на несколько разновидностей: скрап процесс, при котором основной составной частью шихты является стальной скрап; кроме скрапа, в шихте содержится некоторое количество чугуна 25. 45% (твердый чугун) 1 ; скрап — рудный процесс, при котором используются жидкий чугун, скрап и железная руда как носителя кислорода (твердые составляющие). Основная масса шихты — жидкий чугун (55. 75% от массы шихты) 2 ; рудный процесс с использованием жидкого чугуна без скрапа или с малым его количеством и с применением железной руды для окисления примесей ванны.

Мартеновский процесс длится в зависимости от объема печи 8-12 ч. В последнее время для повышения производительности процесса и снижения себестоимости производства стали в печь подается кислород, что приводит к уменьшению расхода топлива на 10% и увеличивает выплавку стали на 20. 30%. Помимо этого, для получения стали используются двухванновые мартены (рис.1.5.), что резко экономит металлургическое топливо за счет более полного использования тепла отходящих газов и повышает производительность процесса.

Рис. 1.5.Схема двухванновой мартеновской печи

Двухванновая печь не имеет регенераторов. Когда в правой ванне (позиция А) идет нагрев и плавление исходных твердых материалов, т.е. идут процессы, требующие наибольшей затраты теплоты, в левой происходит продувка кислородом жидкого чугуна через продувочную фурму. Выделяющаяся окись углерода направляется в правую ванну и сгорает над твердыми переплавляемыми шихтовыми материалами при участии кислорода, вдуваемого через дожигающую фурму в правой части печи.

Источник

Доменный процесс кратко и понятно

Всё ещё распространённым, хотя и устаревшим видом металлургического производства является процесс получения жидких металлов в результате реакции потока воздуха со смесью металлической руды, кокса и флюса. Это — доменный процесс, считающийся универсальным и используемым для:

1. Производства чугуна из железной руды.
2. Последующей переработки чугуна в сталь.
3. Выплавки таких металлов как свинец или медь, имеющих сравнительно небольшую температуру плавления.

Быстрое горение поддерживается потоком воздуха, который подаётся под давлением.

Исходное сырье

Доменные печи производят чугун из железной руды за счет восстанавливающего действия углерода (подаваемого в виде кокса) при высокой температуре в присутствии флюс, например известняк.

Для производства передельного чугуна, а также для выплавки первичной стали в доменной печи используется три вида основного сырья:

1. Предварительно подготовленная на агломерационной фабрике железная руда.
2. Кокс – твёрдое вещество, которое осталось после нагревания угля в отсутствие воздуха. Кокс обычно содержит до 90% углерода.
3. Известняк (CaCO₃) или негашеная известь (CaO), которые периодически должны добавляться в доменную печь.

1. Дробление.
2. Обработку на грохотах – промышленном просеивающем оборудовании, которое разделяет фракции руды.
3. Галтовку – придание руде вида геометрически соразмерных кусков.
4. Флотацию – водную очистку от механических примесей, которая использует разность в показателях плотности компонентов.
5. Магнитную сепарацию – отделение немагнитных примесей.

С помощью этих процессов очищенная руда обогащается до более чем 60% железа и перед отправкой обычно превращается в окатыши.

В составе исходного сырья обязательно присутствует ряд химических элементов. Главным среди них является углерод, который обеспечивает последующее повышение механических характеристик металла путем термообработки. Для производства стали требуется относительно небольшое количество углерода: до 0,25% для низкоуглеродистой стали, 0,25…0,50% для среднеуглеродистой стали и 0,50–1,25% для высокоуглеродистой стали. Сталь может содержать до 2% углерода, а сверх этого количества речь может идти уже только о чугуне, где избыток углерода образует графит.

В небольших количествах (0,03…1,0 %) при выплавке металла в домне используется марганец, который предназначается для удаления нежелательного кислорода и контроля содержания серы. Её трудно удалить из стали, а форма, которую она там принимает (сульфид железа, FeS), придаёт металлу хрупкость, являющуюся следствием роста размеров зёрен в структуре. Крупнозернистый металл ухудшает его ковкость и прокатку, особенно в условиях повышенных температур. Содержание серы в сталях обычно не превышает 0,05%.

Нежелательным компонентом любого вида сырья для домны является фосфор. Обычно его количество не превышает 0,04%, но он имеет тенденцию растворяться в чугуне, немного увеличивая прочность и твердость сплава.

В зависимости от условий дальнейшего применения в качестве сырья доменное производство использует легирующие добавки таких металлов, как хром, молибден, никель, алюминий, кобальт, вольфрам, ванадий и титан. Часто в состав сырья включают неметаллы, например, бор и/или кремний.

Сущность процесса в доменной печи

Исходное сырьё (шихта из железосодержащих материалов, например, железорудных окатышей и агломерата), кокс и флюсы (например, известняк) спускается по шахте, где она предварительно нагревается и вступает в реакцию с восходящими восстановительными газами. Образуется жидкий расплав железа и шлаков, которые скапливаются в очаге.

Воздух, предварительно нагретый до температур от 900 ° до 1250 °C, вместе с впрыскиваемым топливом, например, нефтью или природным газом, вдувается в печь через несколько фурм (форсунок), которые расположены по окружности топки у верха очага. Количество таких форсунок может быть от 12 до 40 (на доменных печах большой мощности).

Предварительно нагретый воздух, в свою очередь, подается из нагнетательной трубы большого диаметра, которая окружает топку. Предварительно нагретый воздух бурно реагирует с горячим коксом, что приводит как к образованию восстановительного газа (монооксида углерода), который поднимается через печь, так и к очень высокой температуре около 1650 ° C, при которой происходит образование жидкого железа и шлаков.

Физико-химические основы процесса

Производство металла в доменной печи представляет собой процесс тепломассообмена, поэтому печь может быть разделена на различные зоны в соответствии с физическим и химическим состоянием сырья и температурой. В соответствии с каждым температурным интервалом будут происходить определённые реакции.

Нисходящая шихта сушится и предварительно нагревается во время спуска восходящим газом. Предварительно нагретый воздух вдувается в печь через фурмы в нижней части печи. Кислород вступает в реакцию с углеродом кокса, образуя окись углерода, а водный пар, содержащийся в дутье, реагирует с углеродом, образуя окись углерода и водорода.

Азот в дутье действует как дополнительный теплоноситель (вместе с CO, CO₂ и H₂). Температура адиабатического пламени в пространстве сгорания перед фурмами составляет около 2100…2300 °C. Восходящий горячий газ нагревает чугун и шлак, которые постепенно собираются в топке ниже уровня фурмы и выпускаются через определённые промежутки времени. Восходящий газ проходит через зону когезии, где железо и шлак размягчаются, разделяются и плавятся. Фаза шлака содержит некоторое количество невосстановленного оксида железа FeO.

Над зоной когезии газ нагревает шихту. Оксид углерода и водород восстанавливают оксид железа опосредованно, в виде реакций газ-твёрдое тело, при этом образуются восстановительные газы.

Эти реакции ослабевают, когда температура газа опускается ниже 900 °C. Реакции восстановления, увеличения содержания СО₂ и охлаждения газа продолжаются по мере его подъёма. Оставшееся теплосодержание газа используется для сушки и предварительного нагрева шихты перед тем, как газ покинет верх печи при температуре 100…300 ° C. Верхний газ по-прежнему является ценным топливом с более низкой теплотворной способностью 3–4 МДж / Нм 3 .

После относительно быстрого нагрева примерно до 900 ° C, загрузка достигает зоны химического резерва, где разница температур между газом и твёрдым телом составляет около 50 °C. Примерно при 1000…1100 °C (в зависимости от химического состава железной шихты и степени восстановления) нагрузка попадает в зону когезии. Оксиды железа восстанавливаются до металлического Fe, одновременно происходит отделение железа и шлака. Металлическое железо насыщается углеродом в коксе и газе CO и плавится при 1200…1300 °C. Расплавленное железо и шлак стекают через слой кокса к поду, где достигают своей конечной температуры и состава.

Конструкция доменной печи

Печи, где происходит доменная плавка, состоят из нескольких зон:

• Пода в виде тигля в нижней части печи;
• Промежуточной зоны, называемая чушкой, которая располагается между подом и штабелем;
• Вертикальной шахты (штабеля), идущей от чушки до верха печи;
• Верхней части, которая содержит механизм загрузки печи.

Важно: практическая удельная производительность доменной печи находится в пределах 1300…2300 кг металла с 1 м 3 объёма печи за сутки её непрерывной работы.

До́менный проце́сс (доменная плавка) — процесс получения чугуна в доменной печи.

Связанные понятия

Агломера́т — окускованный рудный концентрат, полученный в процессе агломерации. Спёкшаяся в куски мелкая (часто пылевидная) руда размерами 5—100 мм с незначительным содержанием мелочи. Агломерат получают при обжиге железных и свинцовых руд, цинковых концентратов и других. В чёрной металлургии является основным железорудным сырьём для получения чугуна в доменной печи.

Прямо́е восстановле́ние желе́за — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н2, NH3), твердого углерода, газов и твердого углерода совместно. Процесс ведется при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым. В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия.

Ши́хта (нем. Schicht) — смесь исходных материалов, а в некоторых случаях (например, при выплавке чугуна в доменной печи) и топлива в определённой пропорции, подлежащая переработке в металлургических, химических и других агрегатах.

Агломера́ция (от лат. agglomero — присоединяю, накопляю) — метод термического окускования пылеватых мелких руд, концентратов и металлосодержащих отходов путём их спекания. Наиболее широко агломерация применяется для подготовки железорудного сырья для металлургического производства чугуна. Процессы, происходящие в спекаемом слое шихты при агломерации, во многом схожи с процессами спекания частиц при производстве керамики и в процессах порошковой металлургии.

Ока́тыши — сферической формы комочки измельчённого рудного концентрата. Полуфабрикат металлургического производства железа. Являются продуктом обогащения железосодержащих руд специальными концентрирующими способами и последующего окомкования и обжига. Наряду с агломератом используются в доменном производстве для получения чугуна.

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Конвертерное производство — получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путём продувки жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы. На начало XXI века более.

Окускова́ние поле́зных ископа́емых — это процесс превращения мелких классов полезных ископаемых в куски с заданными свойствами для их более эффективного использования. Получаемые в результате глубокого обогащения концентраты руд чёрных и цветных металлов, как правило, непригодны для непосредственного использования в плавке или других технологических процессах и требуют окускования. В зависимости от вида полезного ископаемого и его последующего передела окускование осуществляется агломерацией, окомкованием.

Пылеу́гольное то́пливо (ПУТ) — вид топлива, представляющий собой уголь, предварительно измельченного в тончайший порошок (пыль). Применяется в качестве самостоятельного топлива или добавок в паровых котлах, металлургических печах или других тепловых агрегатах.

Отражательная печь — промышленная плавильная печь, в которой тепло передаётся материалу излучением от газообразных продуктов сгорания топлива, а также от раскалённой внутренней поверхности огнеупорной кладки печи. Отражательной печью обычно называют печи, применяемые для получения металлов и полупродуктов в цветной металлургии (выплавка штейна из медных руд или концентратов, свинца из свинцовых сульфидных концентратов, рафинирование меди, сурьмы, свинца, олова и др.), варки стекла, а также для расплавления.

Окомкова́ние (ока́тывание) — процесс окускования увлажнённых тонкоизмельчённых материалов, основанный на их способности при перекатывании образовывать гранулы сферической формы (окатыши).

Конве́ртер (англ. converter, от лат. convertere — превращать) — аппарат (вид печи) для получения стали из передельного расплавленного чугуна и шихты продувкой воздухом или технически чистым кислородом. В настоящее время чаще применяется кислород, который подается в рабочее пространство конвертера через фурмы (под давлением около 1,5 МПа). Такой метод получения стали называют конвертерным или кислородно-конверторным. Более половины всей стали в мире получается конвертерным способом.

Металлурги́ческий концентра́т — это продукт обогащения руды, содержание в котором одного или нескольких ценных компонентов, а также его общий минералогический состав отвечают требованиям дальнейшей металлургической или иной переработки с целью извлечения этих компонентов. Так, например, железорудные концентраты могут подвергаться окускованию для подготовки к доменной плавке. Также концентратами называют промпродукты смежных процессов с повышенным содержанием полезного компонента. Например, концентраты.

То́масовский проце́сс (томасирование чугуна), также известный как процесс Гилкриста—Томаса — один из видов передела жидкого (получаемого из доменной печи) чугуна в сталь конвертерным способом.

Обогаще́ние руды́ — совокупность методов разделения металлов и минералов друг от друга по разнице их физических и/или химических свойств. Химический состав компонентов руды при этом не изменяется.

Дуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.

Заду́вка до́менной печи́ — начальная операция в кампании доменной печи (новой печи или печи после капитального ремонта 1-го разряда).

Ферроникель — сплав железа и никеля (ферросплав), получаемый, главным образом, при восстановительной электроплавке окисленных никелевых руд и используемый для легирования стали и сплавов.

Электрометаллургия — методы получения металлов, основанные на электролизе, то есть выделении металлов из растворов или расплавов их соединений при пропускании через них постоянного электрического тока. Этот метод применяют главным образом для получения очень активных металлов — щелочных, щелочноземельных и алюминия, а также производства легированных сталей.

Ферровольфрам — сплав железа и вольфрама (ферросплав), используемый в чёрной металлургии для легирования стали и сплавов.

Брике́т — часть окускованного материала (руды, восстановителя и т. п. в смеси со связующим веществом), полученный в результате брикетирования. По сравнению с исходным материалом обычно обладает большей крупностью, что важно для некоторых металлургических процессов (например, в руднотермической электропечи при использовании брикетов вместо мелкого (пылевидного) сырья увеличивается газопроницаемость шихты, снижается пылевынос). Кроме того, брикет может содержать не только руду, но и восстановитель.

Штейн (от нем. Stein — камень) — смесь сульфидов железа, никеля, меди, кобальта и других элементов. Штейн — промежуточный продукт при получении некоторых цветных металлов (Cu, Ni, Pb и другие) из их сульфидных руд.

Бессеме́ровский процесс, бессемерование чугуна, производство бессеме́ровской стали — в настоящее время устаревший метод передела жидкого чугуна в литую сталь путём продувки сквозь него сжатого воздуха, обычного атмосферного или обогащённого кислородом. Операция продувки производится в бессемеровском конвертере. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению примесей, содержащихся в чугуне — кремния, марганца и углерода (отчасти также железа) кислородом воздуха дутья. Несмотря на возрастание.

Флю́сы (пла́вни) в металлургии — неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке из неё металлов, чтобы снизить её температуру плавления и облегчить отделение металла от пустой породы.

Марте́новская печь (марте́н) — плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества. Название произошло от фамилии французского инженера и металлурга Пьера Эмиля Мартена, создавшего первую печь такого образца в 1864 году.

Ферросилиций используют в качестве раскисляющих и легирующих добавок для выплавки электротехнических, рессорно-пружинных, коррозийно- и жаростойких сталей.

Гарниса́ж (от фр. garnissage — футеровка) — в металлургии защитный слой из шихтовых материалов или шлака, образующийся за счёт разности температур на рабочей поверхности стенок рабочего пространства некоторых металлургических агрегатов в результате взаимодействия шихты, материала футеровки и газов.

Коксова́ние — процесс переработки жидкого или твёрдого топлива нагреванием без доступа кислорода. При разложении топлива образуется твёрдый продукт — нефтяной или каменноугольный кокс и летучие продукты. Основное количество кокса получают из каменного угля.

Роме́лт (Romelt) — одностадийный процесс выплавки чугуна без использования кокса и предварительной подготовки железосодержащей шихты.

Горя́чее дутьё — в металлургическом производстве, подача в промышленный теплотехнический агрегат (печь) подогретого воздуха с целью уменьшения расхода топлива и увеличения пропускной способности. Горячее дутьё стало одним из самых важных изобретений промышленной революции, его внедрение позволило в течение короткого времени сократить расход топлива на единицу выплавленной стали втрое.

Флота́ция (фр. flottation, от flotter — плавать) — один из методов обогащения полезных ископаемых, который основан на различии способностей минералов удерживаться на межфазовой поверхности, обусловленный различием в удельных поверхностных энергиях. Гидрофобные (плохо смачиваемые водой) частицы минералов избирательно закрепляются на границе раздела фаз, обычно газа и воды, и отделяются от гидрофильных (хорошо смачиваемых водой) частиц. При флотации пузырьки газа или капли масла прилипают к плохо смачиваемым.

Пи́рометаллу́ргия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах. Это отрасль металлургии, связанная с получением и очищением металлов и металлических сплавов при высоких температурах, в отличие от гидрометаллургии, к которой относятся низкотемпературные процессы.

До́менный воздухонагрева́тель (варианты названия: воздухонагреватель, регенератор, каупер) — аппарат для нагрева воздуха (холодного дутья, поступающего из воздуходувной машины) перед подачей его в доменную печь. Введение воздухонагревателей стало самым эффективным способом экономии топлива (кокса) за всю историю доменного производства.

Плавление (плавка, выплавка) — это тепловая обработка руды для выделения из неё металла. Является формой добывающей металлургии. Процесс плавления используется для извлечения многих металлов из их руд, в том числе серебра, железа, меди и других неблагородных металлов. В ходе плавления используется тепло и химический восстановитель для разложения руды, удаления других элементов в виде газов или шлака, в результате чего остаётся металлическая основа. Восстановителем обычно является источник углерода.

Обогаще́ние поле́зных ископа́емых — совокупность процессов первичной обработки минерального сырья, имеющая своей целью отделение всех ценных минералов от пустой породы, а также взаимное разделение ценных минералов.

Шлак (нем. Schlacke) в металлургии — побочный продукт или отход от производства металла, после очистки от остатков ценных компонентов (обеднения) отправляемый в отвал. Однако в некоторых случаях основным продуктом плавки, содержащим наиболее ценный компонент сырья, является именно шлак (титановые шлаки, получаемые при плавке ильменитовых концентратов; ванадиевые шлаки, образующиеся при конвертировании ванадийсодержащего чугуна).

Ферромарганец — это сплав, основными компонентами которого являются марганец и железо. Добавление марганца повышает твёрдость стали, её антикоррозийные свойства и устойчивость к разрыву.

До́менная печь, до́мна — большая металлургическая вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её капитального ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Переде́л (от рус. переделывать — делать заново, по-другому) — одна из стадий получения или переработки металла в чёрной и цветной металлургии. К переделам относятся: плавка и разливка металла, обжатие, прокат, трубное и метизное производство. Предприятия, реализующие часть полного металлургического цикла, называются передельными.

Обогати́тельная фа́брика — горное предприятие для первичной переработки твёрдых полезных ископаемых с целью получения технически ценных продуктов, пригодных для промышленного использования. Часто обогатительная фабрика входит в состав горно-обогатительного комбината.

Ко́ксовая батаре́я — специальный металлургический агрегат для изготовления кокса — топлива для доменного производства чугуна.

Агломерацио́нная маши́на (агломаши́на) — машина, предназначенная для получения агломерата путём спекания рудной мелочи и концентратов методом прососа воздуха через слой шихты, лежащей на колосниковой решётке, с частичным освобождением шихты от вредных примесей.

Пудлингование (англ. puddling) — металлургический процесс преобразования чугуна в мягкое малоуглеродистое железо. Суть процесса состоит в расплавлении чугуна в специальной печи без контакта с топливом и перемешивании расплавленного металла специальными штангами, на которых налипают частички расплавленного железа, постепенно формируя тестоподобную крицу массой до 40—60 кг. На выходе из пудлинговой печи полученную крицу проковывают и отправляют на плющение. Пудлинговое железо хорошо сваривается, обладает.

Коксохимия — область химии и химической промышленности, занимающаяся переработкой природного топлива (главным образом каменного угля) в кокс и др. ценные продукты методом коксования. Основными коксохимическими продуктами (помимо кокса) являются коксовый газ, продукты переработки сырого бензола, каменноугольной смолы и аммиака (аммиачные удобрения); их полный ассортимент включает около 80 наименований (около 160 сортов). Ряд продуктов, подобных коксохимическим, получают также на нефтехимических предприятиях.

Чёрные мета́ллы (разг. черме́т) — железо и сплавы на его основе (стали, ферросплавы, чугуны). К чёрным металлам также зачастую относят ванадий, марганец и, иногда, — хром. Эти металлы используются главным образом при производстве чугунов и сталей. Чёрные металлы составляют более 90 % всего объёма используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали. Основным элементом, придающим сплавам железа разнообразные свойства, является углерод.

Раскисле́ние мета́ллов — процесс удаления из расплавленных металлов (главным образом стали и других сплавов на основе железа) растворённого в них кислорода, который является вредной примесью, ухудшающей механические свойства металла. Для раскисления применяют элементы (или их сплавы, например ферросплавы), характеризующиеся большим сродством к кислороду, чем основной металл.

Вагра́нка — топливная печь шахтного типа (вертикальная), служащая для переплавки чугуна. Топливом служит преимущественно кокс, или антрацит, высокая температура при сжигании которых достигается посредством дутья (см. Воздуходувные машины).

Агломерацио́нная фа́брика (аглофа́брика) — часть металлургического завода или горно-обогатительного комбината, на которой производят агломерат, подготавливают шихту к использованию в доменных печах. В составе металлургического комбината аглофабрику, наряду с фабриками окомкования и коксохимическими производствами, относят к группе цехов, обеспечивающих деятельность доменного цеха.

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, по­лу­че­ние чу­гу­на из же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лов в до­мен­ной пе­чи. В ос­но­ве Д. п. ле­жит прин­цип про­ти­во­то­ка: за­гру­жае­мая в верх­нюю часть пе­чи (ко­лош­ник) ис­ход­ная ших­та (же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, твёр­дое то­п­ли­во, флюс) дви­жет­ся вниз, а га­зо­об­раз­ные про­дук­ты, об­ра­зо­вав­шие­ся в ниж­ней час­ти пе­чи (гор­не) при сжи­га­нии то­п­ли­ва в по­то­ке ду­тья (на­гре­тый воз­дух или воз­дух, обо­га­щён­ный ки­сло­ро­дом ли­бо во­дя­ным па­ром), – вверх. Про­ти­во­ток спо­соб­ст­ву­ет эф­фек­тив­но­му про­те­ка­нию мас­со- и те­п­ло­об­мен­ных про­цес­сов, что обу­слов­ли­ва­ет вы­со­кие по­ка­за­те­ли ис­поль­зо­ва­ния ре­сур­сов в до­мен­ных пе­чах: по­лез­ное ис­поль­зо­ва­ние те­п­ло­ты со­став­ля­ет 80–90%, сте­пень из­вле­че­ния же­ле­за – 99,5–99,8%. Для обес­пе­че­ния те­п­ло­вых по­треб­но­стей про­цес­са ис­поль­зу­ет­ся зна­чит. из­бы­ток кок­са, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет по­вы­шен­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да в чу­гу­не (3,4–5,2% С по мас­се).

Основные этапы развития доменного производства: 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 доменного производства в СССР сыграли М. А. Павлов, М. К. Курако, И. П. Бардин. Доменное производство в СССР характеризуется применением высокомеханизированных и автоматизированных агрегатов и передовой технологии.

Выплавка чугуна производится в доменных печах, представляющих собой сложный технологический агрегат.

Основным материалом для доменного производства является железная руда, содержащая железо в виде оксидов. Оксиды железа купить в виде руды возможно у сырьевых компаний крупнейших стран-экспортёров: Австралия, Бразилия, Индия, Канада, ЮАР, Украина, Россия, Швеция, Казахстан. Для загрузки в печь наиболее удобны куски руды диаметром от 10 до 50 мм. Более мелкая и пылевидная руда должна быть окускована путем спекания. Такое спекание называется агломерацией и производится на агломерационных фабриках, которые строятся иногда на рудниках, но чаще непосредственно на металлургических заводах.

В доменной печи происходит отделение железа от кислорода (процесс восстановления). Этот процесс возможен при высоких температурах, для создания которых в доменной печи сжигается кокс. Кокс содержит углерод, который при высоких температурах соединяется с кислородом оксидов железа или, как принято говорить, восстанавливает железо из оксидов. Раньше вместо кокса в доменных печах сжигали обыкновенный древесный уголь.

Пустая порода, содержащаяся в большом количестве в железной руде, и зола, имеющаяся в коксе, при плавлении шихты не переходят в металл, а образуют шлак, который нужно своевременно удалить из печи. Чтобы облегчить удаление шлака, в руду добавляют флюсы — материал, придающий шлаку более жидкий вид. Обычно флюсом служит известняк.

Материалы подают в засыпное устройство, находящееся в верхней части домны, по наклонному мосту в специальных тележках-скипах, емкость которых на больших печах достигает 10 м 3 ; подача материалов идёт непрерывно.

Рис. 1. Схема доменного производства

Таким образом, основными материалами для производства чугуна в доменной печи является железная руда, кокс и известняк. Кроме того, в доменном процессе для поддержания горения необходим воздух. Печь может работать только при непрерывной подаче воздуха.

Для того чтобы не охлаждать печь во время работы и ускорить плавку, воздух в печь подается подогретым до 600-800° и под давлением 1,5-2 атм. Воздух подогревают в специальных аппаратах — воздухонагревателях.

Воздухонагреватели представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 7 до 9 м и высотой до 46 м с днищем и куполом. Воздухонагреватели изготовляют из листовой стали толщиной 10-14 мм. Внутреннее пространство воздухонагревателей разделено стенкой из огнеупорного кирпича на две вертикальные камеры — камеру горения и камеру насадки.

Насадка — кирпичная кладка — выкладывается из огнеупорного (шамотного) кирпича так, чтобы образовались вертикальные сквозные от низа до верха каналы для прохода газа и воздуха. Благодаря каналам насадка обладает большой поверхностью нагрева (от 10 до 20 тыс. м2 и более). Насадка кладется на чугунную поднасадочную решетку, которая опирается на специальные колонны и расположена на уровне 2-2,5 м от днища воздухонагревателя.

Каналы насадки соответствуют отверстиям в решетке и имеют выход в пространство под решеткой, называемое поднасадочным пространством. В поднасадочное пространство по воздухопроводу холодного дутья подводится от воздуходувных машин холодный воздух.

Нагрев воздуха в воздухонагревателях происходит за счет сжигания очищенного газа, который, сгорая в камере горения, поднимается вверх под купол, а затем по каналам насадки опускается вниз и, отдав тепло насадке, уходит в дымовую трубу. После нагрева насадки газ и дымовую трубу отключают и через насадку пропускают воздух, который движется в направлении, обратном движению горячего газа. Горячий кирпич насадки отдает свое тепло воздуху.

Подогретый воздух по воздухопроводу горячего дутья подается от воздухонагревателей в кольцевую трубу и затем через специальные приборы, называемые фурмами, — в доменную печь.

Для одной доменной печи строят три или четыре воздухонагревателя, которые работают поочередно, т. е. если в одном нагревается насадка, то в другом — воздух, а третий запасной. Доменный процесс сопровождается также выделением побочных продуктов — доменного газа и шлака.

Жидкий шлак выпускается через шлаковые лётки в специальные ковши, в которых отвозится в шлаковые отвалы. В дальнейшем из него изготовляют строительные материалы — шлакоблоки. Доменный газ используется как топливо для сжигания в коксовых и мартеновских печах, в нагревательных печах прокатных цехов, а также в обыкновенных котельных топках.

Образующийся в печи газ через подсвечники, свечи и наклонные газопроводы отводится, в пылеуловители. Обычно на каждую доменную печь ставилось два пылеуловителя — первичный и вторичный. В настоящее время доменные печи сооружаются преимущественно с одним первичным пылеуловителем.

Свечи своей нижней частью, так называемыми подсвечниками, примыкают к куполу шахты. На доменную печь ставятся четыре подсвечника, а далее каждая пара подсвечников объединяется в одну свечу; свечи соединяются с первичным пылеуловителем двумя наклонными газопроводами грязного газа.

Пылеуловители представляют собой сварные цилиндрические сосуды диаметром от 9 до 11 м с коническим днищем и куполом, пылеуловители изготовляются из листовой стали толщиной 10-14 мм.

Доменный газ уносит с собой большое количество мелких частиц руды и кокса (колошниковой пыли) и по наклонным газоотводам попадает в пылеуловители. Здесь вследствие большего объема сосуда давление и скорость газа резко падают и значительная часть пыли (до 3/4) осаждается в конусах пылеуловителей, откуда ее периодически выпускают в вагоны и отвозят в отвал или на агломерационную фабрику, где она спекается в куски и вновь используется как шихтовый материал для доменной печи.

Пыль сильно истирает стенки свечей, газоотводов и пылеуловителей, поэтому их футеруют (выкладывают) шамотным кирпичом, а тройники и подсвечники — специальными чугунными плитами.

В пылеуловителях доменный газ проходит грубую очистку. Для дальнейшего использования газа необходима его полная очистка, которая происходит в специальных газовых цехах — газоочистках, входящих в комплекс сооружений доменного цеха. От пылеуловителей к газоочистке газ подается по газопроводу грязного газа. Очищенный газ по газопроводу чистого газа поступает к потребителям.

Доменный газ совершенно бесцветный и не имеет запаха, ядовит, а при соединении с воздухом образует взрывчатую смесь, которая при вспышке взрывается с огромной разрушительной силой. Поэтому при обращении с доменным газом требуется большая осторожность.

Таким образом, основным продуктом доменного производства является чугун, побочными продуктами — шлак, доменный газ и колошниковая пыль.

Основной примесью чугуна является углерод (2-4% и более), который может содержаться в чугуне в виде механической примеси (свободного графита) и в виде химического соединения с железом, называемого карбидом железа или цементитом. Получаемые в доменной печи чугуны разделяются на сорта: литейный, передельный и специальный.

Литейный чугун содержит свободный графит и имеет в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Этот чугун хорошо заполняет формы и легко поддается обработке режущим инструментом. Литейный чугун применяют для отливки радиаторов, труб, печных приборов и других строительных и бытовых изделий.

Передельный чугун содержит углерод в виде химического соединения с железом и имеет блестящий белый излом, поэтому иногда называется белым чугуном (белый цвет излома следует считать условным). Этот сорт чугуна плохо отливается и обрабатывается и идет главным образом в переплавку на сталь.

Специальные чугуны, или ферросплавы, имеют повышенное (более 10%) содержание одного или нескольких элементов, например кремния, марганца и др. Применяют их в основном в качестве специальных добавок при выплавке сталей.

Чугун и шлак периодически выпускают из печи: чугун через 4-6 час., а шлак через 2-3 часа. Производительность доменной печи характеризуется коэффициентом использования полезного объема, который представляет собой отношение полезного объема печи в кубических метрах к суточной выплавке чугуна в тоннах. Полезным объемом называется объем печи от уровня чугунной лётки до отметки низа большого конуса в опущенном состоянии.

Чем меньше коэффициент по абсолютному значению, тем лучше работает доменная печь. Более экономичными в эксплуатации являются доменные печи большого объема, поэтому впредь предполагается строительство печей большого объема.

Рис. 2. Разрез по оси доменной печи:

1 – пылеуловители; 2 – фундамент; 3 — рабочая площадка; 4 — кольцевой воздухопровод; 5 – лещадь; 6 – кладка горна; 7 – фурменные отверстия; 8 – кладка заплечиков; 9 – кладка шахты; 10 – колошник; 11 — наклонный газопровод; 12 – колошниковая площадка; 13 — засыпной аппарат; 14 – свечи; 15 – крыша здания поддоменника; 16 – колонны для удержания шахты; 17 — здание скипового подъемника; 18 – наклонный мост; 19 – железнодорожные вагоны с исходными шихтовыми материалами; 20 – бункер с шихтовыми материалами; 21 – скип; 22 — рудно-грейферный кран; I – горн; II – заплечики; III – распар; IV – шахта; V – колошник.

Схема доменного процесса 1 — железная руда + известняк; 2 — кокс; 3 — лента конвейера; 4 — колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу; 5 — слой кокса; 6 — слои известняка, оксида железа, руды; 7 — горячий воздух (с температурой около 1200 °C); 8 — шлак; 9 — жидкий передельный чугун; 10 — шлаковый ковш; 11 — чугуновоз; 12 — циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах (13); 13 — регенераторы (кауперы); 14 — дымовая труба; 15 — подача воздуха в регенераторы (кауперы); 16 — порошок угля; 17 — коксовая печь; 18 — резервуар для кокса; 19 — газоотвод для горячего колошникового газа.

До́менный проце́сс (доменная плавка) — процесс получения чугуна в доменной печи [1] [2] .

Представляет собой совокупность ряда самостоятельных физикохимических явлений, к которым относятся процессы восстановления оксидов и сложных соединений, разложения гидратов и солей, горения твёрдого, жидкого и газообразного горючего, твердофазные и гетерогенные химические реакции, теплообмен, движение твёрдых, жидких и газообразных составляющих и др. [1]

Источник