Технологія доменного процессу

Вихідні матеріали доменного процесу. Найбільш поширеними вихідними матеріалами при виробництві чавуну є руди, паливо і флюси.

1. У чорній металургії застосовують такі рудні матеріали: звичайний залізняк Fe₂О₃ містить 50-66% заліза. Його супроводжують пусті породи, найчастіше кварцит SiO_{2 .} Чистий гематит (після збагачення) вміщує 70% заліза; магнітний залізняк Fe₃О₄ – 50-70% заліза; бурий залізняк Fe₂О₃*nH₂O – 30-50% заліза; шпатовий залізняк FeCO₃ – 30-40% заліза. У невеликих кількостях використовують також марганцеві руди MnO₃, MnO_2, Mn₂O_3.

Окрім перелічених руд, у доменному процесі використовують такі високопродуктивні напівфабрикати, як офлюсований агломерат і офлюсовані окатиші. Використовують також прокатну окалину, металобрухт та колошниковий пил.

2. Паливо. Звичайне кам’яне вугілля добре горить при відсутності протягів. А в доменній печі завжди існують протяги, бо там застосовують повітряне або кисневе дуття. Тому для доменного виробництва кам’яне вугілля не придатне. У якості палива у доменному виробництві застосовують кокс, який отримують на коксохімічних заводах у вигляді міцних пористих кусків, що мають високу питому теплоту горіння і не згасають навіть при великих протягах. Для зменшення витрат коксу в доменну піч вдувають також природний газ, мазут, вугільний пил.

3. Флюси. Флюси – це речовини мінерального походження, які вводяться в доменний процес з метою полегшення відділення пустої породи від металу, сплавлення пустих порід і шкідливих домішок і утворення шлаку. Основним флюсом доменного процесу є вапняк CaCO₃.

Вихідні продукти у певному процентному співвідношенні, що призначені для завантаження у піч, називають шихтою. Шихту завантажують у піч періодично, порціями, які називають колошами. Приблизне співвідношення компонентів в одній колоші таке: три вагонетки рудного металу плюс дві вагонетки палива плюс одна вагонетка флюсу.

Колошу завантажують у піч через колошник, який розташований у верхній її частині.

Чавун варять у печах-домнах, які є складовою частиною одного з елементів технологічної системи виробництва чавуну.

Технологічна система, схему якої зображено на рис. 1, складається з шести елементів.

Вагрегаті кожного елемента відбуваються певні фізико-механічні або фізико-хемічні процеси, внаслідок яких сировина перетворюється на чавун.

Рис. 1. Спрощена схема технологічної системи виробництва чавуну: 1 – подрібнення руди вальцями або у млинах, 2 - сортування руди за розмірами на решетах і ситах, 3 – збагачення руди промиванням водою, гравітацією, магнетацією, флотацією у спеціальних машинах-сепараторах, 4 - грудкування на грануляторах, 5 - виготовлення офлюсованого агломерату на агломераційних машинах, 6 – плавка чавуну

Доменна піч – це спеціальна металева споруда, обкладена всередині вогнетривкою цеглою. Вона складається (зверху вниз) з колошникового устрою, шахти, розпару, заплічників і горна.

Рис. 2. Схема роботи доменної печі

1 – вагонетка для подачі колош із бункера, 3 - льотка для випускан­ня чавуну, 4 – горн, 5 - фурма для вдування повітря під тиском, 6 – заплечики, 7 – розпар, 9 – приймальна воронка засипного аппарату, 10 - малий конус, 11 – чаша, 12 - великий конус, 13 – колошник, 14 - шахтапечі, 18 - льотка для випускання шлаку,

Домна працює за принципом зустрічних потоків: шихта рухається згори вниз, а гарячі потоки газу, який утворився внаслідок згоряння палива, - назустріч, тобто знизу вгору.

Чавун випускають із горна через чавунну льотку через кожні 4-8 годин, шлак через шлакову льотку – через 30-40 хвилин.

Доменна піч працює безперервно протягом 5-6 років. Потім вона зупиняється на капітальний ремонт, при якому повністю замінюється футерівка. Для цього необхідно 4-6 місяців. Після ремонту піч просушують і задувають за спеціальною технологією.

Період безперервної роботи печі називають кампанією. В період кампанії за її температурним режимом стежать радіоактивні давачі.

Доменне виробництво – високоавтоматизоване.

Найпотужнішу у світі доменну піч протягом доби обслуговує 4 бригади по 25 чоловік. Тривалість робочої зміни однієї бригади – 6 годин. Керує роботою печі диспетчер, який знаходиться за пультом управління, прилади на пульті (близько 400) висвітлюють усі показники роботи печі.

Для безперебійної роботи довкола печі на подвір’ї розташовані обслуговуючі служби: рудний двір, підйомні та завантажувальні механізми, ливарні двори, нагрівачі повітря (каупери), вітродувні машини, машини (гармати) для закриття та відкорковування льоток. Різноманітні прилади та пристрої для контролю роботи і управління процесами.

Основні процеси, що відбуваються в доменній печі. В доменній печі відбуваються такі процеси:

а) горіння палива:

C + O₂ ® CO₂ + Q;

CO₂ + С ® 2CO - Q.

б) відновлення заліза:

1) окисом вуглецю:

3Fe₂O₃ + CO ® 2Fe₃ О₄ + CO₂ + Q;

Fe₃O₄ + С ® 3Fe O + СО₂ - Q;

FeО + СО ® Fe + СО₂ + Q.

2) воднем:

Н₂ О + С ® Н₂ + СО;

(вода є у складі мінералів і в повітрі дуття)

3Fe₂O₃ + Н₂ ® Fe₃ О₄ + Н₂ О + Q;

Fe₃O₄ + Н₂ ® 3Fe O + Н₂ О - Q;

Fe О + Н₂ ® Fe + Н ₂ О - Q.

Оксидом вуглецю і воднем відновлюється 60-80% заліза. Таке відновлення називають непрямим відновленням.

Решта заліза відновлюється твердим вуглецем в зоні розпару при температурі 1700⁰ С.

Fe О + С ® Fe + СО - Q.

Відновлення за такою реакцією називають прямим.

Доменна піч працює найбільш ефективно, якщо відбувається, як пряме, так і непряме відновлення, а це в значній мірі залежить від температури повітря, що вдувається в доменну піч.

в) насичення заліза вуглецем:

3Fe + 2СО ® Fe₃ С + СО₂;

або 3Fe + С ® Fe₃ С.

Карбід заліза Fe₃С може розчинятись у залізі. В розчинному стані можуть також знаходитись у незначних кількостях марганець, кремній, форсфор та сірка. Уся ця суміш і називається чавуном.

г) шлакоутворення

FeS + СаО + С ® Fe + СаS + СО,

СаS – це і є шлак.