доменне виробництво : лекції

неділя з 18.05 - 22.05.2020

9.4. Збагачення дуття киснем

Доцільність збагачення дуття киснем відома давно. Однак складність і дорожнеча установок для одержання кисню й необхідні відповідні зміни в технології виплавки чавуну довго стримували застосування кисню в доменному виробництві.

У цей час, завдяки успішно проведеним промисловим дослідам, у результаті яких були розроблені теорія й технологія доменної плавки на збагаченому киснем дуття, цей спосіб інтенсифікації доменного процесу одержав широке поширення.

При збагаченні дуття киснем змінюються наступні параметри:

Зменшується витрата дуття на одиницю вуглецю, що спалюється у фурм, (мал.2, а), тому що при підвищенні вмісту кисню в дутті відповідно зменшується вміст азоту.

Зменшується кількість горнового газу на одиницю вуглецю, що спалюється у фурм, внаслідок зменшення вмісту азоту в дутті (мал..2, б).

Підвищується концентрація оксиду вуглецю в горновому газі внаслідок зменшення розведення його азотом (мал.2, в).

Зростає температура в зоні горіння, тому що зменшується кількість газів, що утворяться, на одиницю спаленного у фурм вуглецю.

Перераховані зміни параметрів згоряння вуглецю у фурм при збагаченні дуття киснем викликають зниження перепаду тиску газів між горном і колошником внаслідок зменшення виходу горнового газу на одиницю вуглецю, що спалюється, і відповідно швидкості руху газів у стовпі шихтових матеріалів. Це дозволяє збільшити витрату дуття в одиницю часу, тобто збільшити кількість часу коксу, що спалюється в одиницю, і відповідно підвищити продуктивність печі, тобто інтенсифікувати доменний процес.

Однак при збагаченні дуття киснем, особливо при виплавці передільного чавуну, зменшення перепаду тиску газу не пропорційно зменшенню виходу горнового газу. У міру збільшення вмісту кисню в дутті перепад знижується на меншу величину, чим вихід горнового газу, а виходить, і ступінь форсування ходу печі дуттям зі збільшенням вмісту кисню зменшується

Причиною погіршення газодинаміки є різке підвищення температури в зоні горіння, що викликає збільшення обсягу газів в обсязі, що скоротився, окисної зони. Крім того, при температурі 2000°С и вище інтенсивно йде процес сублімації монооксида кремнію, що конденсується в зонах з температурою нижче 1900°С у виді тонкодисперсних часток, що зменшують газопроникність шихти. Перераховані причини викликають тугий хід печі при виплавці передільного чавуну вже при підвищенні вмісту кисню в дутті на 2-3%, якщо воно не супроводжується заходами, що знижують температуру в зоні горіння.

Вплив збагачення дуття киснем на витрату коксу проявляється в такий спосіб. Підвищення концентрації оксиду вуглецю в газі збільшує непряме відновлення, відповідно зменшуючи витрату тепла на пряме відновлення за умови, якщо буде забезпечена достатня кількість газів і їхній раціональний розподіл.

Зменьшення кількості горнового газу й підвищення його температури змінюють умови теплообміну так, що тепло від газів до шихти інтенсивно передається в нижній частині печі. У верхні зони печі газ проходить із більш низькою температурою, чим при звичайному дутті (мал. 3). Менша кількість колошникового газу й більш низька його температура зменшують кількість тепла, яке уноситься з газом з печі, сприяючи підвищенню її теплового к. п. д. Нарешті, збільшення продуктивності печі при збагаченні дуття киснем зменшує втрати тепла розраховуючи на одиницю чавуну.

Але збагачене киснем дуття викликає й несприятливі зміни в тепловому балансі. Вони зводяться до наступного. Зниження температури у верхній частині печі приводить до запізнювання початку непрямого відновлення. Крім того, воно може зменшуватися внаслідок порушення рівності ходу печі при збагаченому киснем дуття. Таким чином, збільшення вмісту оксиду вуглецю в газі сприяє збільшенню непрямого відновлення, а зниження температури й порушення рівності ходу діє в протилежному напрямку. Отже, ступінь прямого відновлення може змінитися в будь-якому напрямку залежно від обставин.

При збагаченні дуття киснем скорочується прихід тепла в горно з дуттям у зв'язку зі зменшенням вмісту азоту в дутті. Компенсувати зменшення приходу тепла з дуттям збільшенням його нагрівання при плавці передільного чавуну неможливо, тому що температура в зонах горіння й без цього вже гранично висока. Це створює сприятливі технологічні умови для застосування природного газу, пиловугільного палива, зволоженого дуття, що знижує теоретичну температуру горіння у фурменому вогнищі й сприяє досягненню високих техніко-економічних показників плавки при інтенсивному ході доменної печі.

Продуктивність печі, що виплавляє передільний чавун, збільшується на 2-3% на кожний відсоток збільшення кисню в дутті. Промислові досліди підтвердили можливість збагачення дуття киснем до 30-31%. Так, наприклад, при виплавці феросиліція на одній з доменних печей при вмісті кисню в дутті 33% продуктивність зросла більш ніж у два рази, а витрата коксу скоротився з 2,3 до 1,67 т/т. Тому при виплавці феросплавів збагачене киснем дуття знайшло більше широке застосування, чим при виплавці передільного чавуну.

При оцінці економічної ефективності збагачення дуття киснем варто враховувати його вартість.

9.5. Вдмухування в горно природного газу й інших вуглецьвміщуючих добавок до дуття

Пропозиції про вдмухування в доменну піч вуглецьвміщуючих добавок (мазуту, нафти, коксового газу й ін.) з метою заміни частини коксу були висловлені ще в XIX в.

Перші у світовій практиці промислові досвіди використання природного газу в доменному виробництві ставляться до жовтня 1957 р., коли на одну з доменних печей Дніпропетровського металургійного заводу ім. Петровского подали природний газ Шебелинского родовища. Уже в перші дні при витраті природного газу 70-90 м^э/т чавуну витрата коксу зменшився на 10-14%. Висока ефективність природного газу визначила швидке його поширення на інші заводи.

Використовуючи природний тиск природного газу, після редукування його подають без додаткового компримирования в піч разом з нагрітим дуттям через фурми в зони горіння. Природний газ складається, в основному, з метану СН₄ (> 90%), інше - більше важкі вуглеводи состава C_nH_m і незначні кількості (< 1%) С,, N₂ і ін. Змішуючись із дуттям у фурмі й у кисневій зоні, природний газ реагує з киснем (згоряє) по наступних реакціях:

СН₄ +2ПРО₂ = С₂ + 2H₂O;

СН₄+1,5ПРО₂ = С + 2Н₂ПРО;

СН₄ + 0,5ПРО₂ = С+2Н₂.

Реакціям горіння передує розкладання вуглеводнів природного газу, що протікає з витратою тепла, наприклад:

СН₄ = С + 2Н₂ - 79, 449 МДж.

За межами кисневої зони утворилися С₂ і Н₂0 взаємодіють із вуглецем коксу, перетворюючись у С і Н₂:

С₂ + С = 2С; Н₂ПРО + С=Н₂ + С.

Таким чином, поза окисною зоною, де неможливе існування С₂ і Н₂О в присутності вуглецю утвориться тільки суміш С і Н₂. Результуюча реакція згоряння метану природного газу в горні доменної печі при сухому атмосферному дутті з урахуванням теплового ефекту описується рівнянням:

СН₄ + 0,50₂ + 0,5 • 3,76 N₂ = С + 2Н₂ + 1,88 N₂ + 38,116 МДж.

Якщо не враховувати короткочасності існування, що утворяться при згорянні природного газу С₂ і Н₂ПРО, які впливають тільки на розподіл температури в окисній зоні й на її обсяг, але не впливають на баланс тепла в зоні горіння, то реакцію цю в тепловому відношенні можна розглядати як складається із двох реакцій:

СН₄ = С + 2Н₂ - 79,449 МДж

С + 0,5 ПРО₂ + 0,5 • 3,76 N₂ = С + 1,88N₂ + 117, 565 МДж,

___________________________________________________

СН₄+ 0,5ПРО₂ + 0,5 -3,76N₂ = С + Н₂ + 1,88 N₂ + 38, 116 МДж.

При вдмухуванні природного газу в горно печі в ході доменного процесу виникають зміни, що викликають у свою чергу зміни в результатах роботи печі, які за даними проф. А.Н. Рамма характеризуються залежностями, показаними на мал.4.

Економія коксу при вдмухуванні природного газу досягається за рахунок:

1) збільшення непрямого й зменшення прямого відновлення;

2) заміни частини вуглецю коксу вуглецем природного газу;

3) зменшення приходу сірки в піч, основності й виходу шлаків внаслідок зниження витрати коксу, визваними першими двома факторами.

Найбільша частка економії коксу виходить від збільшення непрямого відновлення за рахунок відбудовної роботи водню, що утвориться із природного газу в горні. Якщо при звичайних умовах доменної плавки на зволоженому дутті участь водню в непрямому відновленні становить 7-9%, то при вдмухуванні природного газу воно зростає до 25-30%. Збільшення витрати природного газу до 0,4 м³ на 1 кг, що згоряє у фурм вуглецю ( 100-120 м³/т чавуни) зменшує ступінь прямого відновлення з 0,55 до 0, 27-0,29 (мал.4, а). Відповідно до зміни ступеня прямого відновлення змінюється й відносна витрата коксу (мал. 4, б).

Витрата природного газу при виплавці передільного чавуну залежно від умов роботи печей змінюється в межах від 60 до 150 м³ на 1 т чавуну, найчастіше становлячи 70-90 м³/т чавуни. Відносна витрата коксу скорочується на 10—14%, а іноді й більше. Еквівалент заміни коксу природним газом змінюється в межах від 0,6 до 0,8 кг на 1 м³ газу. При виплавці ливарного чавуну витрата природного газу й економія коксу трохи нижче, а при виплавці висококремнистого ливарного чавуну й доменних феросплавів природний газ взагалі не застосовують внаслідок зниження температури в горні печі.

Заміна вуглецю коксу вуглецем природного газу нерівноцінна в тепловому співвідношенні. Зрівняємо результуючу реакцію згоряння вуглецю метану з реакцією згоряння коксу:

С + 0,5ПРО₂+0,5 • 3,76 N₂ = С + 1,88N₂ + 117, 565 МДж.

Кількість тепла, що виділяється при згорянні одиниці вуглецю метану в горні доменної печі, у три рази менше, ніж при згорянні одиниці вуглецю коксу. Розходження в теплових ефектах цих реакцій пояснюється витратою тепла на розкладання метану й чисельно дорівнює

тепловому ефекту реакції СН₄ = З + 2Н₂ - 79,449 МДж:

117, 565 Мдж - 38, 116 Мдж = 79, 449 Мдж.

Зрівняємо тепер кількість газу, що утвориться при згорянні однакових кількостей вуглецю коксу й вуглецю метану. При згорянні одиниці вуглецю коксу виходить 2,88 обсягу газу, а при згорянні одиниці вуглецю метану - 4,88 обсягу, тобто в 1,7 рази або на 70% більше. На нагрівання більшої кількості газу до температури в зоні горіння буде потрібно й більше тепла. Якщо врахувати, що прихід тепла в горно від згоряння одиниці вуглецю метану в три рази менше, а кількість газу, що утвориться, на 70% більше, ніж при згорянні одиниці вуглецю коксу, то стане ясно, що із застосуванням природного газу температура горна знижується. Зниженню температури в горні сприяє також і те, що кокс приходить у зону горіння нагрітим до 1400-1500 °С, а природний газ вдувається холодним (від -2до+4°С). Крім того, при вдмухуванні природного газу для збереження оптимального газодинамічного режиму доводиться зменшувати кількість дуття, що подається в одиницю часу в горно печі, а отже, зменшувати внесене їм кількість тепла.

Компенсувати зниження температури в горні можна збільшенням нагрівання дуття, зменшенням вмісту вологи в ньому або збагаченням дуття киснем. Для підтримки нормального нагрівання горна температура дуття повинна бути підвищена з розрахунку 4 °С на кожний 1 м³ природного газу, що вдмухується, на 1 т чавуну. Якщо не компенсувати зниження температури горна, то можлива при вдмухуванні природного газу економія коксу буде меншої або неї може не бути зовсім. Тому кращий ефект від застосування природного газу одержали на тих печах, де виявилося можливим відповідно підвищити температуру дуття. По цій же причині й вміст вологи в дутті понизили до верхнього рівня можливої природної вологості, забезпечивши сталість вологості дуття.

Для усунення зниження температури в горні було запропоновано вдмухувати в доменні печі продукти розкладання (конверсії) природного газу С і Н₂, попередньо нагріті до температури 1000 °С. Однак проведені на меткомбинате «Азовсталь» дослідні плавки із вдмухуванням у горно конвертованого природного газу не одержали промислового впровадження внаслідок конструктивних недоліків установок для конверсії природного газу й недостатньої стійкості елементів повітряного тракту.

Недоліком застосування природного газу є погіршення газодинамічних умов внаслідок збільшення обсягу горнових газів при зниженні газопроникності стовпа шихти, викликаних зменшенням витрати коксу. Для збереження умов нормального опускання шихти при вдмухуванні природного газу зменшують витрати дуття, внаслідок чого інтенсивність ходу печі по спалюється коксу, що, зменшується (мал.4, в). Зменшення витрати коксу повинне супроводжуватися відповідним поліпшенням механічних властивостей компонентів шихти, підвищенням тиску газів у робочому просторі доменної печі й вмісту кисню в дутті.

Як добавки до дуття з метою економії коксу на деяких заводах вдмухують у піч коксовий газ, мазут, пиловугільне паливо або вугільну суспензію, що складається з мазуту й здрібненого малосернистого вугілля.

Вдмухування в піч газоподібних і рідких вуглеводнів викликає зміни в ході доменного процесу й показниках роботи, аналогічні змінам при вдмухуванні природного газу з тією лише різницею, що вони можуть бути більшими або меншими - залежно від складу вуглеводнів.

При вдмухуванні коксового газу в горно доменної печі на Макіївському металургійному заводі й Кузнецьком металургійному комбінаті в кількості 92,8 м³/т чавуни витрата коксу знизилася на 9,6%, а продуктивність печі збільшилася на 4,2%. Коксовий газ містив близько 60% водню.

Для вдмухування коксового газу потрібне спорудження спеціальних газодувок і очищення газу від смолистих речовин, внаслідок чого застосування коксового газу для доменної плавки промислового поширення в цей час не одержало.

Більш успішно застосовується рідке паливо, особливо мазут. Дія його таке ж, як і природного газу, з тією лише різницею, що внаслідок високого відношення вуглецю до водню в мазуті ефект заміни вуглецю коксу при вдмухуванні мазуту більше, а зниження прямого відновлення менше, ніж при вдмухуванні природного газу. Вдмухування мазуту в кількості 30-35 кг на 1 т чавуну скорочує витрата коксу на 8-16% і підвищує продуктивність печі на 2-9%. Еквівалент заміни коксу мазутом становить 1,2-1,4 кг на 1 кг мазуту.

Вдмухування здрібненого вугілля в зону горіння дозволяє частково використовувати некоксівні вугілля й значно скоротити питома витрата коксу.

9.6 Комбіноване дуття

Комбінованим прийняте називати дуття, що включає добавки як у вигляді окислювачів (кисень, пара), так і відновлювачів (природний газ, коксовий газ, мазут, пиловугільне паливо й ін.). Найбільше поширення одержало збагачення дуття киснем із вдмухуванням природного газу.

Основний позитивний ефект при вдмухуванні природного газу складається в значному скороченні витрати коксу, а при збагаченні дуття киснем - у збільшенні продуктивності печі. Але досягнення можливого ефекту при застосуванні збагаченого киснем дуття обмежується надмірним підвищенням температури в горні. При цьому обсяг горнового газу зменшується. Спільне застосування цих двох інтенсифікаторів дозволяє підсилити позитивний ефект кожного з них і взаємно компенсувати властиві їм недоліки.

Таким чином, найбільший ефект дає спільне використання таких добавок до дуття, які роблять на доменний процес протилежний вплив. У табл.1 показаний напрямок зміни параметрів доменного процесу, визваний застосуванням збагаченого киснем дуття й природного газу.

Можна для кожної кількості природного газу, що вдмухується, так підібрати ступінь збагачення дуття киснем, що газодинамічні й температурні умови роботи печі залишаться такими ж, як і при нормальній роботі печі на звичайному дутті. Теоретичні розрахунки показують, що для збереження нормальних умов роботи печі при комбінованому дутті на кожний 1 м3 природного газу, що вдмухується, вміст кисню в дутті повинне бути підвищене на 1,3-1,7 м3, а витрата дуття зменшена на 3,8 м3 Змінюючи співвідношення кількості природного газу й кисню в дуття в зазначених межах (1, 3-1,7 м3 кисню на 1 м3 природного газу), можна залежно від обставин у більшій мірі або збільшувати продуктивність, або знижувати витрати коксу, що має дуже важливе значення в умовах планового ведення виробництва. Додатковими факторами регулювання режиму роботи печі на комбінованому дутті є температура й вологість дуття.

Перші дослідні плавки при спільному збагаченні дуття киснем і вдмухуванні природного газу були проведені в липні-серпні 1958 г. на доменній печі № 12 Дніпровського металургійного комбінату в Дніпродзержинську. Уже в початковому періоді при змісті кисню в дуття 23-24% і витраті природного газу 110 м3 на 1 т чавуну продуктивність збільшилася на 9,8%, а витрата коксу знизився на 17,1%. У наступних досвідах зміст кисню в дуття підвищили до 28%, а витрата природного газу до 140-150 м3 на 1 т чавуну Продуктивність печі в окремі періоди підвищувалася на 14-15%, а витрата коксу знижувався на 19-20%. Однак незадовільна якість сировини й, насамперед, низька механічна міцність агломерату іноді приводили до тривалих розладів ходу печі. Ці досвідчені плавки показали, що збільшення змісту кисню в дуття й витрати природного газу може дати максимальний ефект лише при відповідному поліпшенні якості сировини.

На доменній печі Череповецкого металургійного комбінату обсягом 2002 м3, що працювала на міцному, відсіяному від дріб'язку агломераті, збільшення вмісту кисню в дутті з 21,54 до 27,63% і витрати природного газу з 85,7 до 116,7 м3 на 1 т чавуну дозволило збільшити продуктивність печі на 18,2%, або на 3% на кожний 1% додаткового вмісту кисню в дутті. Витрата коксу при цьому скоротилася з 454 до 428 кг, температура колошникового газу понизилася з 336 до 261 °С, а вміст діоксида вуглецю в ньому виріс з 17,1 до 20,4%. Продуктивність в окрему добу досягала 4850 т, а річна продуктивність склала 1,5 млн. т.

У перспективі для металургійних підприємств України комбіноване дуття бачиться в технологічному тандемі - кисень + пиловугільне паливо.

В останні роки спостерігається тенденція до збільшення витрати природного газу в доменних печах деяких металургійних фірм США й Канади до 170 і навіть до 200 м3/т чавуни. Як правило, збільшення витрати газу на цих печах супроводжується підвищенням вмісту кисню в дутті для того, щоб забезпечити оптимальний рівень теоретичної температури у вогнищах горіння й кількість горнового газу, що утвориться.

Висока витрата природного газу на цих печах пояснюється насамперед економічними факторами. Незважаючи на високу вартість природного газу, його застосування в сполученні зі збагаченням дуття киснем стимулює високу рентабельність доменної плавки.

Питання з теми для самостійного вивчення та осмислення

1. Дайте загальну характеристику відомим методам інтенсифікації доменної плавки.

2. Перелічіть позитивні і негативні зміни, що відбуваються в доменному процесі при підвищенні нагріву дуття.

3. Які удосконалення доменної технології дозволили суттєво підвищити температуру дуття у другій половині ХХ сторіччя?

4. Які зміни в доменному процесі викликає зволоження доменного дуття?

5. Як впливає підвищення концентрації кисню в дутті на процеси, що відбуваються в доменній печі?

6. За рахунок чого досягається економія коксу при вдуванні природного газу?

7. В чому полягають переваги і недоліки пиловугільного палива у порівнянні з іншими замінниками коксу?

8. Вкажіть, яким чином підвищення тиску в доменній печі впливає на газодинамічні процеси?

9. Як підвищення тиску в робочому просторі печі впливає на хімічний склад чавуну?

неділя з 12.05 -15.05.20

9 Методи інтенсифікації роботи доменної печі

9.1 Деякі поняття про інтенсифікацію

Під інтенсифікацією доменного процесу розуміють збільшення швидкості його протікання. Мірою інтенсивності ходу доменної печі є кількість чавуну, одержувана в одиницю часу розраховуючи на одиницю корисного обсягу доменної печі. В умовах виробництва на металургійних підприємствах України прийнято користуватися тільки зворотною величиною - корисним обсягом печі, затрачуваним протягом доби на виплавку 1 т чавуну. Цей показник називається коефіцієнтом використання корисного обсягу доменної печі, к.і.п.о., і визначається як частка від розподілу корисного обсягу печі V_пол (м³) на добову продуктивність печі Т (т) чавуну/сут:

к.і.п.о. = V_пол/ Т , м³ ∙сут / т чавуну.

Чим менше цей показник за абсолютним значенням, тим інтенсивніше хід доменної печі.

Є й інші показники інтенсивності ходу доменної печі (витрата коксу в годину на 1 м² перетину горна, витрата коксу в добу на 1 м³ корисного обсягу печі, кількість залізорудних матеріалів, проплавляемих у добу на 1 м³ корисного обсягу й ін.), однак вони тотожні к. і. п. о.

Збільшити інтенсивність ходу доменної печі можна двома шляхами:

1) створенням умов, при яких у горно доменної печі в одиницю часу можна подати більша кількість дуття, що витрачається на спалювання вуглецю пального;

2) створенням умов, що забезпечують зниження витрати коксу на одиницю виплавлюваного чавуну.

При збільшенні кількості дуття (кисню), який подається в горно за одиницю часу, відповідно збільшується кількість, що згоряє в одиницю часу, вуглецю, а отже, і продуктивність печі. При зменшенні відносної витрати пального й незмінній кількості дуття продуктивність печі також зростає внаслідок підвищення рудного навантаження на кокс.

Збільшення інтенсивності ходу доменної печі шляхом збільшення витрати дуття (кисню) в одиницю часу припускає поліпшення газодинаміки процесу. Це може бути досягнуто підвищенням механічної міцності коксу й агломерату, відсіванням дрібних фракцій, поліпшенням однорідності гранулометричного складу шихтових матеріалів, підвищенням тиску газів у робочому просторі печі, зниженням відносного виходу шлаків і підбором його складу.

Рисунок 1 Зміна продуктивності доменної печі Т і відносної витрати коксу К зі зміною кількості дуття V

Зміна основних показників роботи доменної печі при інтенсифікації її ходу збільшенням кількості дуття в загальному виді показане на мал. 1.

У міру збільшення ступеня форсування ходу доменної печі дуттям мінімальна витрата коксу досягається при меншій кількості дуття, чим максимальна продуктивність печі Т_таx. Отже, максимальна продуктивність може бути отримана при деякому збільшенні витрати коксу, а мінімальна витрата коксу- при деякому зменшенні продуктивності печі. Однак у всіх випадках витрата дуття не повина бути менше кількості V , що відповідає одержанню мінімальної витрати коксу К_тin і більше кількості V_max, що відповідає одержанню максимальної продуктивності Т_тax.

На мал. 1 заштрихована область відповідає оптимальному ступеню форсування ходу печі кількістю дуття. Витрата дуття нижче V викличе зменшення продуктивності печі й збільшення витрати коксу внаслідок погіршення розподілу газового потоку й використання його теплової й відбудовної енергії. Витрата дуття більше V також викличе зменшення продуктивності й збільшення витрати коксу внаслідок порушення рівного ходу печі. У виробничих умовах оптимальна кількість дуття в межах Vmin-Vmax установлюють залежно від відповідності шихтових умов і планових завдань. При оптимальному підборі параметрів доменної плавки зростає тепловий к. п. буд. печі k*.

Основні способи інтенсифікації, які застосовують в доменному виробництві в цей час можна звести до наступного:

1) високотемпературне нагрівання дуття;

2) зволоження дуття;

3) збагачення дуття киснем;

4) вдмухування в горно вуглецьвміщуючих добавок;

5) комбінування дуття;

6) підвищення тиску газів у робочому просторі доменної печі;

Слід зазначити, що на сучасному етапі розвитку доменного виробництва найбільш важливим засобом його вдосконалювання є високоякісна підготовка залізовмісних компонентів доменної шихти й технологія виробництва металургійного коксу. Жоден зі способів інтенсифікації доменного процесу, перерахованих у п.п. 1-6, не може дати максимального ефекту без підготовки вихідних матеріалів для доменної плавки.

9.2. Нагрівання дуття

Уперше нагріте дуття в доменному виробництві застосували в 1829 р. Незважаючи на порівняно невисоке нагрівання дуття (150 °С), показники роботи печі значно покращилися: відносна витрата пального зменшилася, продуктивність печі зросла, з'явилася можливість збільшити кількість дуття. Згодом застосування більш нагрітого дуття ( 350-400 °С) на коксових доменних печах дозволило зменшити відносну витрату коксу на 25-35%.

Перехід від примітивних повітронагрівачів із чавунними трубами до регенеративних повітронагрівачів Каупера із цегельною насадкою й використанням для нагрівання насадки колошникового газу дозволили збільшити температуру нагрівання до 600-700 °С і ще більше знизити відносну витрату пального. У цей час дуття нагрівають до 1150—1250 °С и вище.

Уже на самому початку застосування нагрівання дуття було замічено, що одержувана при цьому економія тепла (зниження витрати коксу) більше кількості тепла, внесеного в піч нагрітим дуттям. Це пояснюється тим, що тепло нагрітого дуття на відміну від тепла, виділеного при згорянні пального, не супроводжується утворенням додаткової кількості газів, які, ідучи з доменної печі, несли б частину тепла. Це значить, що, наприклад, при зниженні нагрівання дуття збільшення витрати пального повинне компенсувати не тільки зменшення тепла, внесеного дуттям, але й неминучі втрати, пов'язані зі збільшенням витрати пального, в основному, за рахунок утворення додаткової кількості газів, що несуть із печі тепло. При цьому варто помітити, що й тепло нагрітого дуття, і тепло від згоряння пального використовується в доменній печі однаковою мірою відповідно до теплового к. п. д печі k_r

Кількість тепла, внесена нагрітим дуттям на одиницю виплавлюваного чавуну, визначається з рівняння:

Q_д=V_д ∙C_д ∙t_д

де V_д - обсяг дуття на одиницю чавуну, м³;

С_д -теплоємність дуття, кДж/(м³∙°С);

t_д - зміна температури дуття при переході від холодного дуття до

нагрітому або від менш нагрітого дуття до більше нагрітого, °С.

Надалі виявили й іншу обставину: у міру збільшення нагрівання дуття зменшення витрати пального на кожні 100 °С знижувалося. Пояснення цих факторів по-різному було дано металургами Беллом, Окерманом і Грюнером. Однак найбільш повне пояснення дії гарячого дуття на доменний процес, що одержав загальне визнання й зберегло своє значення й зараз, було дано М.А. Павловым в 1894 р. шляхом зіставлення теплових балансів двох доменних печей, одна з яких працювала на холодному, а інша - на нагрітому дутті. Зниження витрати пального при переході від холодного дуття до нагрітого або від менш нагрітого до більше нагрітого відбувається в результаті дії двох причин:

1) заміни частини тепла, виділеного при згорянні вуглецю у фурм, теплом нагрітого дуття;

2) змін у доменному процесі, які викликають зміни в тепловому балансі убік зменшення витрати тепла.

При підвищенні нагрівання дуття відповідно зменшується витрата коксу, а отже, зменшується й кількість газу на одиницю чавуну. Менша кількість газу, що проходить через стовп шихти з тією же кількістю залізорудних матеріалів, остудиться більше й піде з печі з більше низькою температурою. Крім того, температура колошникового газу знижується ще й тому, що в нижній частині печі внаслідок більш високої температури газу збільшується теплопередача рідким продуктам плавки й коксу, газ приходить у вишележачі зони й до колошника з більше низькою температурою. Отже, зменшиться й кількість тепла, яке уноситься з печі колошниковим газом.

Для визначення відносної економії тепла в доменній печі, одержуваної внаслідок застосування нагрітого дуття, академік М.А. Павлов запропонував рівняння:

де Е - економія тепла в доменній печі, віднесена до загальної витрати тепла на одиницю чавуну;

∆t_д - зміна температури дуття, °З;

q - алгебраїчна сума всіх статей витрати тепла на одиницю чавуну при звичайному (або менш нагрітому) і нагрітому дутті, кДж;

W-W- загальна витрата тепла в печі на одиницю чавуну, кДж.

Зміна величини Е залежить не тільки від зміни температури дуття. Аналіз рівняння показує, що економія тепла (а отже, і зниження витрати коксу) зменшується з підвищенням температури дуття. Розглянемо причини цієї закономірності.

Зі збільшенням нагрівання дуття зменшується відносна витрата коксу, на спалювання якого потрібне менша кількість дуття, отже, вираження V_дC_дt_д, що входить у чисельник рівняння, зменшується, зменшуючи значення Е.

Чим вище нагрівання дуття, тим повніше використовується тепло в доменній печі, тобто вище тепловий к. п. буд. печі k за рахунок зменшення втрат тепла з колошниковим газом, тому що при зменшенні відносної витрати коксу зменшується кількість колошникового газу і його температура. Крім того, kзбільшується й за рахунок зменшення теплових втрат з холодною водою й в атмосферу розраховуючи на одиницю чавуну внаслідок збільшення продуктивності печі. Оскільки тепловий к. п.д. печі k входить у знаменник рівняння, то збільшення його зменшує значення Е.

Загальна витрата тепла W c збільшенням нагрівання дуття зменшується, а тому що величина W входить у знаменник рівняння, то з її зменшенням економія тепла зростає. Це єдина величина, що сприяє зростанню економії тепла при збільшенні нагрівання дуття, однак її вплив на загальну зміну значення Е невелико в порівнянні із впливом трьох попередніх факторів.

Відповідно до зміни відносної економії тепла при збільшенні нагрівання дуття змінюється й витрата коксу в абсолютному вираженні.

У середині минулого сторіччя доменні печі працювали на дутті з нагріванням не вище 700-800 °С. Більш висока температура дуття при роботі печей на погано підготовленій шихті викликала нерівний схід шихти з підвисаннями й обривами, що не дозволяло в остаточному підсумку одержати позитивний ефект від підвищення температури дуття.

Поліпшення якості підготовки сировини, удосконалювання технології доменної плавки, застосування різних методів інтенсифікації доменного процесу забезпечили умови для різкого підвищення нагрівання дуття, у результаті чого значно знижена витрата коксу й збільшена продуктивність доменних печей.

Найбільш важливими заходами, що сприяли різкому збільшенню нагрівання дуття й впровадженими у виробництво за останні 50 років, є:

1) заміна в шихті непідготовленої залізної руди агломератом і окатишами з відповідними основністью й вмістом заліза (до 61-65% після збагачення);

2) застосування зволоженого дуття;

3) застосування підвищеного тиску газів у робочому просторі доменної печі;

4) вдмухування в піч вуглецьвміщуючих добавок.

Найбільший вплив на підвищення температури дуття й зменшення витрати коксу зробило застосування природного газу й пиловугільного палива. Якщо до цього на багатьох заводах теплова потужність повітронагрівачів використовувалася далеко не повністю через неможливість її використання за умовами роботи печей, то із застосуванням природного газу відкрилися практично необмежені умовами роботи печей можливості для підвищення нагрівання дуття й подальшого зниження витрати коксу. Підвищення температури дуття більше 1250°С обмежується не тільки тепловою потужністю повітронагрівачів, але й стійкістю вогнетривів і вузлів тракту гарячого дуття.

У сучасних умовах роботи печей при оцінці економічного ефекту від застосування високотемпературного дуття варто враховувати й витрати на його нагрівання, які становлять 8-12% від загальної витрати тепла на виробництво чавуну.

9.3. Зволоження дуття

Природна волога, що втримується в дутті, при високій температурі в зоні горіння диссоціює на водень і кисень із поглинанням тепла

Н₂ПРО → Н₂ + 0,5ПРО₂ - 242, 224 МДж.

Кисень вологи, так само як і кисень дуття, взаємодіє з вуглецем коксу з утворенням оксиду вуглецю:

С + 0,5ПРО₂ → С + 117, 565 МДж.

Підсумовуючи наведені вище реакції, одержимо:

Н₂ПРО + С → Н₂ + С - 124, 659 МДж

Перехідні в газову фазу продукти цієї реакції - водень і оксид вуглецю - приймають потім участь у відновленні оксидів.

Природна вологість повітря коливається в значних межах як протягом доби, так і часом року. Наприклад, залежно від кліматичних і метеорологічних умов вміст вологи в повітрі протягом доби може змінюватися на 8-12 г в 1 м³ повітря або на 1-1,5% по обсязі.

Коливання вологості дуття викликають зміни в тепловому режимі горна, що нерідко приводить до розладів ходу печі, погіршуючи техніко-економічні показники.

Усувати коливання природної вологості можна двома способами: осушенням дуття й зволоженням дуття в таких межах, щоб вологість його була трохи вище природної, але постійної в часі.

Осушуване дуття вперше застосували в Америці в 1904 р. шляхом заморожування повітря. При цьому вміст вологи в ньому знизили з 10-12 до 3-3,5 г/м³, що позитивно позначилося на ході печі - витрата коксу зменшилася, а продуктивність її зросла.

Трохи пізніше для досягнення сталості вологості дуття замість дорогого осушення повітря застосували його зволоження шляхом додавання в дуття водяної пари. Перші досліди були проведені в 1927-1928 гг. на Донецьком металургійному заводі. Наприкінці 30-х років дослідні плавки на зволоженому дутті були проведені на Магнітогорськом, Кузнецьком і Новолипецком металургійних комбінатах. При цьому одержали значне підвищення продуктивності (до 10%) і зниження витрати коксу ( 1-3%). Як наслідок, з'явилася технологічна можливість підвищити температуру дуття, що в певній мері компенсувало теплові витрати в горні на розкладання водяної пари.

Однак, незважаючи на отримані результати, зволоження дуття довгий час не застосовували, тому що деякі дослідники зв'язували утворення флокенів у сталі зі збільшенням вмісту водню в чавуні. Тільки після ретельного вивчення результатів дослідних плавок на зволоженому (до 26-35 г/м³) дуття, проведених в 1951 р., зволоження дуття одержало широке промислове застосування. У цих плавках продуктивність печей зросла на 10-15%, витрата коксу знизився на 3,5—5,8% при одночасному підвищенні температури дуття на 200-250°С і кількості дуття на 5-7% без погіршення якості стали. Протягом 1951-1953 гг. більшість доменних печей колишнього СРСР було переведено на роботу зі зволоженим дуттям.

При зволоженні дуття знижується температура в зоні горіння й збільшуються її розміри, що супроводжується більше рівним ходом доменної печі. За певних умов ці зміни дозволяють збільшити кількість дуття.

Зниження витрати коксу за рахунок росту відбудовної здатності газів, що утворяться в горні при зволоженні дуття, можливо тільки за умови компенсації витрат тепла на розкладання вологи. Ці витрати компенсують збільшенням нагрівання дуття з розрахунку 72°С на 1% вологи в дуття, або 9°С на 1 г Н₂О в 1 м³ дуття.

У тих випадках, коли при зволоженому дутті не збільшують кількість дуття, з'являється можливість підвищити нагрівання дуття більш ніж на 9°С на кожний 1 г Н₂О в 1 м³ дуття й одержати більше високий відсоток зниження витрати коксу.

Але достоїнства зволоженого дуття не вичерпуються його дією, що інтенсифікує. Виявилося, що зволожене дуття дозволяє швидко й ефективно впливати на тепловий стан печі, будучи потужним чинником регулювання доменного процесу «знизу». При виникненні гарячого ходу його швидко усувають збільшенням вмісту вологи в дутті. При похолоданні нормальне нагрівання відновлюють зменшенням вмісту вологи в дутті. При оцінці економічної ефективності зволоження дуття необхідно враховувати вартість пари, використовуваного для зволоження. Найбільший ефект може бути досягнуть при використанні вторинної пари.

неділя з 04.05. - 08.05.20р

8.3 Особливості технологічного режиму роботи доменних печей при виплавці різних видів чавуну

У доменних печах виплавляються чавуни: передільний, ливарний, дзеркальний і доменні феросплави. Виплавка кожного виду чавуну має свої особливості технологічного режим

8.3.1 Виплавка передільного чавуну

Основна вимога, пропонована до чавуну для сталеплавильного переділу - можливо більше низький вміст шкідливих домішок.

Для одержання низькосірчистого чавуну підтримують оптимальну основність шлаків, виходячи з відносної кількості шлаків і кількості сірки, внесеної шихтовими матеріалами в доменну піч. Основність шлаків при виплавці передільного чавуну повинна бути достатньої для успішного переходу сірки в шлаки. В умовах заводів України при роботі на високосірчастом коксі з донецьких вугіль основність шлаків передільного чавуну Ca:Si2 підтримують у межах 1, 15-1,25. Зі зменшенням кількості шлаків на тонну чавуну основність його повинна підвищуватися.

При виплавці маломарганцовистого чавуну в шихту вводять доломіт у такій кількості, щоб вміст оксиду магнію в шлаку становило 5-8% при вмісті Аl2О3 7--9%.

Основна кількість чавуну для сталеплавильного переділу виплавляється в печах, що працюють на комбінованому дутті (кисень + природний газ). Температура дуття 1000-1200 °С. Останнім часом у зв'язку з дефіцитом природного газу виникли технологічні труднощі у використанні кисню для збагачення дуття і його високотемпературного нагрівання. Через це на ряді заводів України температуру гарячого дуття змушені були понизити на 100-200 °С, що привело до відповідного збільшення витрати коксу й зниженню продуктивності доменних печей.

На деяких заводах України були початі спроби знизити вміст кисню в дуття до 20-19,55% введенням у дуття азоту через повітродувні машини з метою використовувати більше високонагріте дуття. Результати цього експерименту неоднозначні. Більше актуальним і можливо єдиним і найбільш ефективним засобом для стабілізації технологічного режиму виплавки передільного чавуну в цей час є впровадження технології доменної плавки із вдмухуванням у горно печі пиловугільного палива. Ця технологія дозволяє використовувати вже раніше досягнутий ступінь збагачення дуття киснем і підвищити температуру дуття до 1250 °С.

Для усунення коливань природної вологості й для регулювання теплового стану печі дуття воложать і підтримують вміст вологи в ньому на рівні 20-28 г/м3 повітря. При цьому надлишковий тиск газу на колошнику, як правило, підтримується на рівні 1, 0-2,0 ати ( 100-200 кПа), що забезпечує форсований хід печі з витратою повітря 1, 8-2,2 м3/хв на 1 м3 корисного обсягу печі. Ступінь форсування ходу печі дуттям визначається газодинамичними умовами, які залежать, в основному, від гранулометричного складу й розподілу шихти, величини рудного навантаження. Рудне навантаження на кращих печах становлять 3, 4-4,0 одиниці, перепад статичного тиску газу між горном і колошником 1, 2-1,5 aт ( 120-150 кпа).

8.3.2 Виплавка ливарного чавуну

Ливарний чавун від передільного відрізняється підвищеним вмістом кремнію й у багатьох випадках більш низьким вмістом сірки (не більше 0,02%). Такі вимоги до ливарного чавуну пред'являються машинобудівною промисловістю, де ливарний чавун після переплавлення у вагранках використовується для виготовлення деталей машин і різних видів устаткування методом лиття.

З метою одержання необхідних міцністних властивостей литих виробів із чавуну частина вуглецю, що втримується в чавуні, повинна бути у вільному стані у вигляді тонкодисперсних включень графіту в металевій матриці. Хімічно зв'язаний вуглець у вигляді цементиту Fe3C у структурі чавуну різко знижує пластичність литих деталей і тому його вміст у виливках повинне бути зведене до мінімуму. Кремній, будучи карбидоруйнуючим елементом, є одним з головних факторів одержання необхідної структури чавунних виливків.

Виплавка низкосірчаного чавуну вимагає збільшення основности шлаків, що утрудняє відновлення кремнію в чавун. Успішному відновленню кремнію сприяють кислі шлаки. Тому при виплавці ливарного чавуну основність шлаків становить 1, 05-1,20 у випадку роботи на высокосірчастому (1, 6-1,8% S) коксі й 0, 95-1,10 на малосірчастом.

Витрата коксу тим вище, чим вище заданий вміст кремнію в чавуні. Звичайно при виплавці ливарного чавуну витрата коксу на 10-25% вище, ніж при виплавці передільного чавуну.

Ливарний чавун виплавляють на комбінованому дутті. Однак при одержанні висококремнистого ливарного чавуну витрати природного газу скорочують із метою досягнення більше високої температури в горні, що сприяє успішному відновленню кремнію.

Кремній, в основному, відновлюється з вільного кремнезему порожньої породи руди й інших складових доменної шихти. Відновлення кремнію відбувається в нижній частині заплічок при високій температурі. Найдійовішим фактором, що впливає на перехід кремнію в чавун, є робота доменної печі на дутті з можливо більше високою температурою.

Кремнезем, будучи кислотним оксидом, сутужніше відновлюється до кремнію в присутності основних оксидів, що зв'язують його. Звідси одне з технологічних умов виробництва ливарного чавуну - робота на кремнеземистих шлаках. Структурний стан кремнезему в компонентах шихти також впливає на хід відновлення кремнію, що переходить у чавун. Для успішного переходу кремнію в чавун рудні компоненти повинні бути легковідновлювальними, а їхня порожня порода тугоплавкою. При цих умовах відновлення основної маси заліза відбудеться раніше, ніж почнеться інтенсивне утворення шлаків, а це, у свою чергу, приведе до підвищення температури плавлення шлаків і зсуву зони шлакоутворення в область високих температур (заплічка), де інтенсивно йде відновлення кремнію.

Зменшення рудного навантаження (збільшення витрати коксу) викликає підвищення температур по висоті печі, приводячи до переміщення обрію шлакоутворення у верхні зони печі. При раптовому похолоданні рідкі фази, що утворилися в стін печі, можуть тверднуть, що сприяє настиле-утворенню. Тому при переході від виробництва передільного чавуну до виробництва ливарного необхідний перехідний період певної тривалості. На різних заводах перехідний період коливається від 3 діб (на Дніпровському металургійному комбінаті) до 10 діб (на Магнітогорськом металургійному комбінаті).

Перехід на виплавку більше висококремнистих марок ливарного чавуну також повинен здійснюватися поступовою зміною технологічних параметрів роботи печі.

У першій половині періоду виробництва ливарного чавуну виплавляють чавун з високим вмістом кремнію, тому що горно ще не захаращене відкладеннями графіту й висококремнистий чавун випливає вільно. У наступному періоді виробництва ливарного чавуну виплавляють більше низькокремнисті марки чавуну, що полегшують перехід до виплавки передільного чавуну.

При виплавці висококремнистого ливарного чавуну марок ЛК1 і ЛК2 переважніше працювати з виходом шлаків, рівним 520-570 кг на 1 т чавуну. Зменшення виходу шлаків при плавці цих марок чавуну приводить до коливань вмісту кремнію в чавуні.

Глинозем у шлаку підвищує температуру його плавлення, переміщає зону шлакоутворення в більше низькі обрії й сприяє відновленню кремнію в чавун. В агломераті й окатишах, використовуваних на заводах України, вміст глинозему становить 5-7%. Тому на деяких заводах у шихту вводять глиноземисті ру

8.3.3 Різновид чавунів та його використання в промисловості

Передільний чавун підрозділяють на групи, класи, категорії й ступені залежно від вмісту кремнію, марганцю, фосфору, сірки й миш'яку.

Крім наведеної стандартизації передільного чавуну, на кожному металургійному підприємстві існують технічні умови й кондиції на чавун, що служать підставою для взаєморозрахунків між доменними й сталеплавильними цехами.

Ливарний чавун після випуску з доменної печі розливають у чушки й у твердому стані відправляють на машинобудівні заводи й інших споживачів, де для виливка деталей машин його вдруге піддають розплавлюванню в спеціальних печах-вагранках.

Ливарний коксовий чавун виплавляють семи марок: ЛК 1-ЛК7. Кожну марку підрозділяють на три групи по вмісту марганцю, п'ять класів по вмісту фосфору й на п'ять категорій по вмісту сірки

Завдяки сполученню високих ливарних властивостей, достатній міцності й зносостійкості чавуни, які виплавляють в доменних печах і одержувані у вагранках або індукційних печах, одержали широке поширення в машинобудуванні й інших галузях промисловості.

Залежно від того, у якій формі присутній вуглець у чавунах, розрізняють білі, сірі, високоміцні чавуни, чавуни з вермикулярним графітом і ковкі* чавуни.

Високоміцні чавуни й чавуни з вермикулярним графітом є різновидом сірих, але через високі механічні властивості їх виділяють в особливі групи.

Білими називають чавуни, у яких весь вуглець перебуває у зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe₃C. Відповідно до діаграми стану Fe-Fe₃C білі чавуни підрозділяють на доевтектичні, евтектичні й заевтектичні. Через велику кількість цементиту вони мають високу твердість ( 450-550 НВ) і крихкість, що не дозволяє їх використовувати для виготовлення деталей машин. З них виготовляють прокатні валки, лемехи плугів, гальмові колодки й інші зносостійкі деталі.

У промисловості широко застосовують сірі, високоміцні й ковкі чавуни, у яких весь вуглець або його частина перебуває у вигляді графіту. Графить забезпечує знижену твердість, гарну оброблюваність різанням, а також високої антифрикційної властивості внаслідок низького коефіцієнта тертя.

Сірими називають чавуни із пластинчастою формою графіту. Структура й властивості сірих чавунів визначаються їхнім хімічним складом і швидкістю охолодження при одержанні виливків. Чим вище вміст кремнію, нижче вміст марганцю й менше швидкість охолодження, тим більше виділиться вуглецю у вигляді графіту, сприяючи більш високим міцністним характеристикам литої деталі. Зі збільшенням швидкості охолодження зростає кількість хімічно зв'язаного вуглецю, що втримується в сірому чавуні. При виборі швидкості охолодження беруть до уваги товщину стінки виливка - чим вона більше, тим менше швидкість охолодження й повніше протікає процес графітизації.

По хімічному складі сірі чавуни розділяють на звичайні (нелеговані) і леговані. Звичайні сірі чавуни - сплави складного складу, що містять основні елементи Fe, С, Si і постійні домішки Mn, P і S. Вміст цих елементів у сірих чавунах коливається в наступних межах, %: 2, 2-3,7 С; 1-3 Si; 0, 2-1,1 Mn; 0, 02-0,3 Р и 0, 02-0,15 S. У невеликих кількостях можуть утримуватися Cr, Ni і Си, які попадають у чавун із залізорудних матеріалів. Майже всі ці елементи впливають на умови графітизації, кількість графітних включень, структуру металевої основи й, як наслідок, властивості чавунів.

Вуглець впливає на якість чавунів, тому що від його вмісту залежить кількість графіту й ливарні властивості. Чим вище концентрація вуглецю, тим більше виділень графіту й нижче механічні властивості чавуну. Із цієї причини максимальний вміст вуглецю обмежується доевтектичною концентрацією. У той же час зниження його вмісту негативно позначається на рідкотекучості , отже, на ливарних властивостях чавунів. Нижня межа вуглецю приймають для товстостінних виливків, верхній - для тонкостінних.

Кремній володіє сильною графитизуючою дією; сприяє виділенню графіту в процесі затвердіння чавунів і розкладанню цементиту, що виділився.

Марганець утрудняє графітизацію чавунів, трохи поліпшує їхні механічні властивості, особливо в тонкостінних виливках.

Сірка - шкідлива домішка. Вона погіршує механічні й ливарні властивості чавунів: знижує рідкотекучість, збільшує усадку й підвищує схильність до утворення тріщин.

Фосфор придає металу крихкість, тому відповідальні деталі відливають із малофосфористого чавуну. У литих чавунних деталях вміст фосфору обмежують 0,3%. Фосфор у кількості до 0,3% розчиняється у фериті. При більшій концентрації він утворить із залізом і вуглецем «фосфидну» евтектику. Вона має низьку температуру плавлення (950 °С), що збільшує рідкотекучість чавунів і дозволяє їх використовувати для художнього лиття. Підвищений вміст фосфору допускається у виливках, від яких потрібна висока зносостійкість (до 0,7% Р), а також використовуваних для художнього лиття (до 1% Р).

Механічні властивості сірих чавунів залежать від властивостей металевої основи й, головним чином, від кількості, форми й розмірів графітних включень. Вирішальний вплив графіту обумовлений тим, що його пластинки, міцність яких мізерно мала, діють як надрізи або тріщини, що пронизують металеву основу й послабляють її. При розтяганні (найбільш твердому виді нагружения) по кінцях графітних включень легко формуються вогнища руйнування. При вигині статична міцність сірих чавунів у два рази вище, ніж при розтяганні, а при стиску - у чотири рази. Міцність при стиску й твердість визначаються, в основному, структурою металевої основи чавунів.

Марка сірого чавуну складається з букв СЧ (сірий чавун) і цифри, що показує зменшене в 10 разів значення (у мегапаскалях) тимчасового опору при розтяганні (табл. 14.4).

Міцність чавуну істотно залежить від товщини стінки виливка. Зазначене в марці значення σ_у відповідає виливкам з товщиною стінки 15 мм. При збільшенні товщини стінки від 15 до 150 мм міцність і твердість чавуну зменшуються майже у два рази.

Феритно-перлітні сірі чавуни СЧ 20, СЧ 25 застосовують для деталей, що працюють при підвищених статичних і динамічних навантаженнях: блоки циліндрів, картери двигунів, поршні циліндрів, станини різних верстатів, зубчасті колеса й інші виливки.

Перлітні сірі модифіковані чавуни СЧ 30, СЧ 35 мають більше високі механічні властивості й використовуються для виготовлення деталей, що працюють у тяжких умовах зношування: зубчасті колеса, гільзи блоків циліндрів, шпинделі, розподільні вали й ін. Чавуни цих марок мають найбільшу герметичність, що дозволяє виготовляти з них корпуса насосів, компресорів, арматури для пневмо- і гідроприводів.

Для деталей, що працюють при підвищених температурах, застосовують леговані сірі чавуни: жаростійкі (додатково містять Cr, A1), жароміцні (Сг, Ni, Mo). Застосування знаходять також немагнітні, хромонікелеві чавуни з аустенітною структурою.

Виливка із сірого чавуну піддають термічній обробці. Використовують низький отжиг (-560 °С) для зняття внутрішніх напружень і стабілізації розмірів, нормалізацію або загартування з відпуском для підвищення механічних властивостей і зносостійкості. Для підвищення зносостійкості гільз циліндрів, розподільних валів і інших деталей окремих двигунів автомобілів перлітні чавуни піддають азотуванню.

Високоміцними називають чавуни, у яких графіть має кулясту форму. Їх одержують модифікуванням магнієм, що вводять у рідкий чавун у кількості 0, 02-0,08%. Через те, що модифікування чавунів чистим магнієм супроводжується сильним піроеффектом, чистий магній заміняють лігатурами (наприклад, сплавом магнію й нікелю).

Чавун після модифікування має наступний хімічний склад, %: 3, 0-3,6 С; 1, 1-2,9 Si; 0, 3-0,7 Мn; до 0,02 S і до 0,1 Р. За структурою металевої основи високоміцний чавун може бути феритним або перлітним. Феритний чавун в основному складається з ферита й кулястого графіту; допускається до 20% перліту. Структура перлітного чавуну - сорбитообразний або пластинчастий перліт і кулястий графіт; допускається до 20% ферита.

Кулястий графіт - менш сильний концентратор напруг, чим пластинчастий, тому він менше знижує механічні властивості металевої основи. Чавуни з кулястим графітом мають більше високу міцність і деяку пластичність. Марка високоміцного чавуну складається з букв ВЧ і числа, що позначає зменшене в 10 разів значення його тимчасового опору.

Високоміцні чавуни застосовують у різних галузях техніки, ефективно заміняючи сталь у багатьох виробах і конструкціях. З них виготовляють устаткування прокатних станів (прокатні валки масою до 12 т), ковальсько-пресове встаткування (траверсу преса, шабот кувального молота) і багато інших відповідальних деталей, що працюють при високих циклічних навантаженнях і в умовах зношування.

У деяких випадках для поліпшення механічних властивостей застосовують термічну обробку виливків: загартування й відпустку при 500-600°С для підвищення міцності; отжиг, що сприяє сфероидизации перліту, для збільшення пластичності.

Чавуни з вермикулярним графітом. Структура цих чавунів формується під дією комплексного модифікатора, що містить магній і рідкоземельні метали. Графить здобуває кулясту (до 40%) і вермикулярную - у вигляді дрібних тонких прожилок - форму.

Після модифікування ці чавуни містять, %: 3, 1-3,8 С; 2, 0-3,0 Si; 0, 2-1,0 Мn; до 0,025 S; 0,08 Р.

Чавуни з вермикулярным графітом роблять чотирьох марок: ЧВГ 30; ЧВГ 35; ЧВГ 40; ЧВГ 45. Число в марці позначає зменшене в 10 разів значення тимчасового опору.

По механічних властивостях чавуни з вермикулярним графітом займають проміжне положення між сірими й високоміцними чавунами. Вони міцніші сірих чавунів, особливо при циклічних навантаженнях; границя витривалості σ_-1 становить 140 МПа у ЧВГ 30 і 190 МПа у ЧВГ 45. Механічні властивості цих чавунів у меншій ступені залежать від маси виливків. Вони відрізняються гарною теплопровідністю ( 40-50 Вт/(м ДО)), що забезпечує їхня стійкість до теплозмінам.

Чавуни з вермикулярним графітом заміняють сірі чавуни у виливках, що піддаються циклічним навантаженням і частим теплозмінам. З них відливають блоки циліндрів, поршні, гільзи, кришки циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, а також виливниці й кокілі. При введенні до складу чавунів до 1,2% Ni і 0,4% Мо вони добре протистоять зношуванню й кавітації.

Ковкими називаються чавуни, у яких графить має пластівчасту форму. Їх одержують отжигом білих доевтектичних чавунів. Із цієї причини графіт ковких чавунів називають вуглецем отжига. Такий графіт, на відміну від пластинчастого, менше знижує механічні властивості металевої основи, внаслідок чого ковкі чавуни в порівнянні із сірими мають більш високу міцність і пластичність.

Виливки з білих чавунів, що піддаються отжигу на ковкі чавуни, виготовляють тонкостінними. Вони не повинні мати перетин більше 50 мм, інакше в серцевині при кристалізації виділяється пластинчастий графіт, і чавун стає непридатним для отжига. По цій же причині вихідні білі чавуни мають знижений вміст вуглецю й кремнію. Їхній хімічний склад наступний, %: 2, 4-2,9 С; 1, 0-1,6 Si; 0, 2-1,0 Мn; до 0,2 S і до 0,18 Р.

Відсутність ливарних напруг, які повністю знімаються під час отжига, компактна форма й ізольованість графітних включень обумовлюють високі механічні властивості ковких чавунів. Маркірують ковкі чавуни буквами КЧ і числами, перше з яких указує зменшене в 10 разів значення σ_в, друге - значення δ. видно, що феритні чавуни мають більш високу пластичність, а перлітні - більш високі міцність і твердість.

Ковкі чавуни знайшли широке застосування в сільськогосподарському, автомобільному й текстильному машинобудуванні, у судо-, котло-, вагоно- і дизелебудуванні. З них виготовляють деталі високої міцності, що працюють у тяжких умовах зношування, здатні сприймати ударні й знакозмінні навантаження. Більша щільність виливків дозволяє робити з ковкого чавуну деталі водо- і газопровідних установок, а гарні ливарні властивості вихідного білого чавуну - робити виливки складної форми.

Недолік ковких чавунів - підвищена в порівнянні з іншими чавунами вартість через тривало дорогий отжиг.

неділя з 15.04 -17.04.20 р. - лекції по темам:

8 ГАЗОДИНАМІКА ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

8.2 Теплообмін між газами й шихтою

8.2.1 Теплообмін в різних зонах доменної печі

Відповідно до законів термодинаміки тепло може переходити тільки від тіла з більш високою температурою до тіла з більш низькою температурою. Отже, умовою всякого теплообміну повинна бути різниця температур між тілами, що обмінюються теплом. Чим вона більше, тим інтенсивніше теплообмін або швидкість передачі тепла при інших рівних умовах.

Тіло з більше високою температурою називається що гріє, або теплоносієм, а менш нагріте тіло - що нагрівається, або споживачем тепла. Про завершеності теплообміну судять по вирівнюванню температур що гріє та нагріте тіло: чим воно ближче, тим більше завершеним уважається теплообмін.

У доменній печі тілом, що гріє, є газ, що утвориться в зоні горіння, а нагрітим тілом - шихтові матеріали. Теплообмін відбувається в противотоку газу й шихти. Тому що зміна різниці температур потоків газу й шихти по висоті печі неоднаково, той інтенсивність теплообміну по висоті печі різна. Найбільша різниця температур газів і шихти спостерігається у верхній ( 200-350 град) і нижньої ( 400-500 град) частинах печі, зменшуючись у проміжній зоні до 20-50 град. Відповідно до цим і теплообмін між газом і шихтою інтенсивно протікає у верхній і нижній частинах печі, майже припиняючись у проміжній зоні. Такий характер теплообміну пояснюється тим, що у верхній частині печі матеріали нагріваються більшою мірою, чим прохолоджуючи гази, а в нижній частині печі, навпаки, матеріали нагріваються в меншій ступені, чим прохолоджуючи гази.

У верхній частині печі, де ще не відбуваються процеси розкладання карбонатів і прямого відновлення (до 900°С), які йдуть з поглинанням тепла, все тепло газів використовується тільки для нагрівання матеріалів. Тому що гази залишають піч нагрітими до 300-400°С, а у верхню частину печі входять при температурі 900°С, то охолодження їх становить 500-600°С. Шихта ж надходить у піч із середньою температурою 20°С (при роботі на холодному агломераті), а в зону з температурою газів 900°С приходить нагрітої до 850-880°С. Отже, завдяки інтенсивному теплообміну у верхній частині печі, де тепло газів витрачається тільки на фізичне нагрівання, шихтові матеріали нагріваються на 830-860°С, тоді як гази у тій частині печі охолоджуються тільки на 500-600°С.

У нижній частині печі тепло газів витрачається не тільки на нагрівання матеріалів, але й на покриття теплових потреб процесів хімічного походження, якось: розкладання карбонатів, пряме відновлення. Тому температура газів від горна до границі зони початку розкладання карбонатів і прямого відновлення знижується набагато інтенсивніше, ніж зростає температура зустрічних твердих і рідких речовин. У результаті збільшення різниці температур потоків теплообмін у нижній частині печі знову зростає, досягаючи максимальних значень у горні.

8.2.2 Вплив основних факторів на теплообмін в різних зонах

доменної печі

Для судження про інтенсивність теплообміну в різних зонах доменної печі користуються порівнянням водяних еквівалентів потоків газу Wг і шихти Wш- Водяним еквівалентом потоку W називається добуток витрати q м³/год на теплоємність із дж/(м³. град), W = qс дж/(ч. град). Професор Б. И. Китаєв, аналізуючи роботу доменних печей і оперуючи водяними еквівалентами потоків газу й шихти, вказує на три можливих варіанти теплообміну між ними при противотоці.

Схеми цих варіантів показані на рис. 1.

Рис.1. Розподіл температур газу й шихти при противотоці при різних співвідношеннях водяних еквівалентів потоків

У доменній печі теплообмін у верхній частині протікає по схемі а (Wг >Wш), у середній частині – по cхемі б(Wг ≈ Wт) і в нижній – за схемою в (< Wг Wш) (верхню) щабель інтенсивного теплообміну й другу (нижню). У проміжній зоні, названої Б. И. Кітаевим холостою висотою, теплообмін майже не протікає внаслідок рівності водяних еквівалентів потоків, газу й шихти. Типова схема теплообміну в доменній печі показана на рис. 2.

З огляду на наявність зони вповільненого теплообміну, було б, однак, неправильно зробити висновок про зменшення висоти доменних печей. Для доменного процесу, крім теплообміну, важливе значення має й відновлення окислів. Зменшення корисної висоти печі приведе до зменшення розвитку непрямого відновлення й до погіршення техніко-економічних показників доменної плавки. Крім того, холоста висота є результатом не конструкції надмірної корисної висоти) печі, а специфіки теплообміну в доменній печі. Характер зміни температур по висоті печі, а отже, і теплообміну незалежно від висоти залишається незмінним. Це й підтверджується розподілом температури по висоті більших і малих печей (рис. 3).

На підставі проведених досліджень доведено, наприклад, що температура колошникового газу є залежним від відносної витрати пального й властивостей сирих матеріалів, а не від висоти печі. Найбільш високу температуру колошника (350–450° С) мають печі, що працюють на гарячому агломераті, а найбільш низьку (200–250° С) мають печі, що працюють на сирих рудах з високим вмістом гідратної й гігроскопічної вологи.

Математичний опис процесу теплообміну в доменній печі дуже складний (внаслідок впливу фізико-хімічних процесів), що поки не дозволяє застосувати результати теоретичних досліджень для розрахунків теплообміну. Тому в цей час користуються складанням загальнотеплового балансу по початковим даним і кінцевих результатах плавки

Спираючись на розрахунках на закони фізичної хімії і практичні данні доменної плавки. Інколи доменну піч умовно розділяють на дві або більше зон визначаючи тепловий баланс кожної зони – так званий зональний тепловий баланс.

Питання з теми для самостійного вивчення та осмислення

1. Назвіть основні умови теплообміну в металургійних агрегатах.

2. При яких умовах теплообмін відбувається між газом та шихтою в доменній печі.

3. Характеризуйте теплообмін між газом і шихтою у верхній частині печі.

4.Характеризуйте теплообмін між газом і шихтою у нижній частині печі.

5. Нарисуйте і поясніть схему теплообміну в доменній печі.

неділя з 30.03. -03.04.20 р. - лекції по темам:

8.1 Рух шихтових матеріалів

8.1.1 Причини опускання шихти

При нормальній роботі доменної печі шихтові матеріали безперервно опускаються по всьому перетину робочого простору, вивільнюючи об’єм на колошнику для нових порцій. Опускання матеріалів від колошника до горна відбувається під дією сили ваги у протитечії з газами, що піднімаються від горна вгору. Причинами вивільнення простору для опускання шихти є ряд наступних процесів:
1. Окислення вуглецю коксу киснем дуття і водяною парою, що містяться в дутті, а також киснем оксидів, котрі відновлюються вуглецем коксу.

2. Окислення вуглецю в реакції газифікації С + СО₂ = 2СО.

3.Перехід в нижній частині шахти, розпарі і заплечиках твердих залізорудних матеріалів, флюсів і золи коксу в рідкий і частково газоподібний стан. При цьому об’єм розплавів майже в 3,5 рази менше об’єму кускових матеріалів, з яких вони утворюються.

4. Механічна уминка сипучих матеріалів в шахті доменної печі в результаті перколяції дрібних фракцій агломерату і обкотишів в міжкускові проміжки нижче розташованих шарів крупнокускового коксу. Деяка уминка можлива також при зсипанні шихти на колошнику, при використанні конусних засипних пристроїв і великій масі подачі.

5. Витрата вуглецю коксу на навуглецювання заліза і утворення чавуну.

6. Випуск із печі продуктів плавки, в результаті чого в металоприймачі вивільнюється об’єм для опускання матеріалів.

Роль кожного із названих процесів у вивільненні робочого простору в нижній частині печі в забезпеченні за рахунок цього опускання матеріалів різна і безпосередньо пов’язана з умовами роботи печі. Але беззаперечним є те, що витрачання коксу на високотемпературних горизонтах печі і на фурмах є найбільш значущим фактором, що обумовлює рух шихти, оскільки кокс займає близько половини об’єму завантажуваної шихти і основна його частка (крім золи і витрат на навуглецювання) підлягає газифікації.

8.1.2 Сили, що діють на стовп шихти працюючої печі

Рух шихти здійснюється під дією сили ваги шихти Р, частково врівноваженої протилежно направленими силами тертя об стінки печі і кусків шихти між собою F1, підйомною силою потоку газів F2 та підйомною силою рідких продуктів плавки в горні F3. Різницю цих сил, що викликає опускання шихти, прийнято називати «активною вагою» шихти:

Рав = Р – (F1 + F2 + F3 ) (8.1)

Рав на печі, що працює нормально, складає 15-20% від Р. Під час руху величина F1 складає 55-60% від Р, а на частку F₂ – біля 20-25% Р.

Сила ваги стовпа шихти в доменній печі орієнтовно може бути вирахувана як добуток інтегральної насипної густини шихтових матеріалів (ρм) по всій висоті печі – від рівня засипу до верхньої межі коксового тотерману на об’єм стовпа шихтових матеріалів (Vм) у визначених межах:

Р = ρм ·Vм (8.2)

Сила тертя F1 може бути представлена у вигляді суми сил зовнішнього (об стінки печі) тертя Fс і внутрішнього тертя Fв сипучих матеріалів при їх опусканні:

F1 = Fс + Fв (8.3)

В свою чергу сила зовнішнього тертя (Fс) визначається величиною бокового тиску (Qб) і коефіцієнтом тертя сипучого матеріалу об стінки ( f1 ):

Fc = Qб · f1 (8.4)

В свою чергу, сила тертя матеріалів об стінки впливає на величину і розподіл бокового тиску шихти на стінки печі. Розподіл бокового тиску шихти по висоті доменної печі при виплавці ванадієвого чавуну показаний на рис. 8.1

В умовах працюючої печі підйомна сила газового потоку дорівнює добутку втрати тиску газу від фурм до колошника на еквівалентну площу перетину печі:

F₂= (Pд – Рк ) Se (8.5)

де: Se – частка від ділення об’єму доменної печі на її висоту в межах від рівня повітряних фурм до рівня засипу шихти; Pд, Рк – тиски дуття і колошникового газу, відповідно.

Рис.8.1. Зміна бокового тиску шихти на стінки доменної печі по її висоті при відмінних умовах плавки за дослідними даними Б.А. Марсуверського, М.М.Бабарикіна і В.С. Новікова

Підйомна сила рідких продуктів плавки (Архімедова сила) має прояв на кожній доменній печі, перш за все перед випуском, коли знижується швидкість сходження шихти. Особливе значення F3 має на печах з великою глибиною зумпфу, що працюють з «плаваючим» коксовим тотерманом. Схема балансу сил, що діють на коксовий тотерман в нижній частині печі (за Дж. Поверомо) приведена на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Схема балансу сил, що діють на плаваючий коксовий тотерман в нижній частині печі: 1 – сила ваги стовпа шихти; 2 – підйомна сила газового - потоку; 3 - підйомна сила рідких продуктів плавки;4 – шлак; 5 – метал; 6 – межа проникнення коксового тотерману в рідкі продукти плавки; 7 - чавунна льотка

При приблизно однаковій протяжності прифурменої порожнини до центру горна відносна площа перетину кільцевої зони розпушення (по відношенню до площі горна) збільшується із зменшенням діаметра горна. В результаті на печах з невеликим діаметром горна підйомна сила газового потоку від фурм в більший степені протидіє опусканню коксового тотерману в центрі печі на лещадь – виникає «плаваючий» тотерман (рис.8.3).

Рис. 8.3. Стан коксового тотерману в горні в залежності від його діаметра: 1 – прифурмена порожнина (зона розпушення); 2 – шлак; 3 – метал

На печах з великим діаметром горна підйомна сила газів в центральній зоні печі суттєво менше, ніж на периферії, це дозволяє коксовому тотерману сідати на лещадь, особливо при недостатній глибині зумпфу (мертвого шару). Для того, щоб коксовий тотерман на таких печах існував в «плаваючому» стані, а це необхідно з технологічних і експлуатаційних міркувань, висоту зумпфу h3 слід поглиблювати пропорційно із зростанням діаметра горна. Вважають, що достатнім є співвідношення h3 = 0,2·dг.

8.1.3 Структура стовпа шихти

Структуру стовпа матеріалів в доменній печі можна представити у вигляді схеми (рис.8.4). У верхній половині шахти в зоні невисоких температур

прошарки залізорудного матеріалу зберігають сипучість. Із опусканням шихти вниз і підвищенням температур до 1000-1300оС в зоні розм’якшення (когезії) сипучими залишаються прошарки коксу. Під зоною когезії знаходиться зона інтенсивного руху коксу, ще нижче – центральна зона малорухомого коксу. Біля фурм утворюються зони розпушення і дискретного обвалювання коксу у біляфурмові порожнини.

Рис. 8.4. Схематична структура стовпа доменної печі при двох конфігураціях зони когезії: 1 – W – подібна зона когезії; 2 – Λ- подібна зона когезії; 3 – чавун;4 – шлак; 5 - зона нерухомого шару коксу (коксовий тотерман); 6 – зона рухомого шару коксу; 7– зона когезії; 8 – зона кускових матеріалів; 8- зона кускових матеріалів; 9 – шари залізорудних матеріалів в пластичному стані в зоні когезії; 10- шари кускових залізорудних матеріалів в сухій частині шахти; 11 – шари коксу в сухій частині шахти; 12 шари коксу в зоні когезії (коксові вікна); 13 – зона циркуляції

Прямий вимір структури стовпа шихтових матеріалів в працюючих доменних печах за допомогою автоматичної зондової скануючої системи показав значну різницю в структурі кускової «сухої» зони стовпа. В доменній печі об’ємом 5500 м³ шихтові матеріали завантажувалися за допомогою безконусного завантажувального пристрою з метою створення розвиненого вісьового потоку газів. Шар шихти (рис. 8.5, а) товщиною приблизно 6 м (7 подач) характеризується чітко вираженою шаровою структурою «кокс- агломерат» і наявністю зон викиду коксу до периферії на відстані біля 0,5-1,0 м

від стінки шахти. Частина відображення (область 4) ідентифікується зоні плавлення доменної печі, що працює з розвиненим центральним потоком газів.

Рис. 8.5 – Структура стовпа шихтових матеріалів доменних печей № 5 (а) і № 1 (б) АТ «Северсталь», отримана за допомогою скануючого зондування (за В.А.Доброскоком і Р.Е.Загітовим)

На рис.8.5, б представлені результати зондування печі об’ємом 1033 м³, оснащеної типовим конусним завантажувальним пристроєм. У даному випадку чітка шарова структура матеріалів відсутня. Проявляються «лінзи» (скупчення коксу і агломерату, що відповідні подачам), а також велика частка зон, де кокс, агломерат і обкотиші знаходяться в суміші. Товщина шару шихти, приведеного на рис.8.5, б складає біля 3 м і відповідає 4 подачам.

Структура стовпа шихти поряд із газодинамічними характеристиками шихтових матеріалів справляє суттєвий вплив на газопроникність стовпа.

Особливе значення має форма, товщина і розміщення зони когезії в робочому просторі печі. Зона когезії являє собою просторове утворення в стовпі шихти з різко вираженими прошарками слабогазопроникних розм’яшених залізорудних матеріалів і прошарками високогазопроникного сипучого коксу. Прошарки коксу між прошарками залізорудної шихти отримали назву коксових «вікон», оскільки крізь них проходить найбільша частина пічних газів.

8.1.4 Газопроникність стовпа шихти

Рух газів в доменній печі відбувається в протитечії зі стовпом шихти, що опускається вниз, крізь канали складної конфігурації, які утворюються пустками між окремими кусками шихтових матеріалів. Оскільки стовп шихти має складну структуру, як по висоті, так і в горизонтальному перетині то газопроникність окремих зон визначається різними факторами.

В області низьких та помірних температур, що містить сипучі матеріали в твердому стані газопроникність шару визначають зазвичай за допомогою рівняння С. Егана (S.Ergun):

де: ΔР – втрати тиску в шарі, Па; Н – висота шару, м;  – порознуватість шару, м³/м³; ρ g – густина газу, кг/м³; De – еквівалентний діаметр кусків шару,м; Ф – коефіцієнт форми кусків, що кількісно характеризує степінь наближення форми кусків до форми сфери;

Еквівалентний діаметр кусків розраховують за формулою

де: Хі – маса і-тої фракції в шарі шихти; Dі – середній діаметр кусків і-тої фракції;

Хі – маса всіх фракцій, що містяться в дослідному матеріалі.

Встановлено, що відношення

при інших постійних умовах

справляє суттєвий вплив на втрати напору в шарі, оскільки це відношення, як фактор опору шару залежить від величини порознуватості (рис.8.8).

Рис. 8.8. Залежність фактора опору шару від його порознуватості для різних сипучих матеріалів: 1 – суміш куль двох різних діаметрів; 2–кулі одного діаметра; 3–рудна суміш; 4–однофракційна руда; 5 – агломераційна суміш; 6 – однофракційний агломерат.