Б. ПОВЕДЕНИЕ СЕРЫ

Сера — вредный элемент в чугуне и стали. Высокое ее со­держание в стали вызывает красноломкость — потерю проч­ности стали при температурах ~ 1100 °С, т.е. при темпера­турах прокатки; кроме того, она понижает ударную вяз­кость, коррозионную стойкость, электротехнические свойст­ва и способность к глубокой вытяжке листовой стали. В связи с этим из-за трудности удаления серы в сталепла­вильных печах, доменный процесс стараются вести так, что­бы по возможности сера удалялась из чугуна в шлак.

Основную часть серы (70-90%) в доменную печь вносит кокс, а остальную — агломерат и окатыши. В коксе сера на­ходится в виде органических соединений C„S_m и немного в виде сульфидов FeS; в офлюсованном агломерате в виде CaS и немного в виде сульфатов CaS0₄ и BaS0₄; в офлюсованных окатышах в виде CaS0₄.

При доменной плавке сера агломерата и окатышей перехо­дит в шлаковую фазу, а основная часть серы кокса газифи­цируется — переходит в газовую фазу частично из твердого кокса (улетучивание) и частично при его сгорании у фурм. Но затем эта сера поглощается из газовой фазы агломе­ратом, шлаком и металлом. Немного серы уносится из печи с доменным газом, при выплавке передельного чугуна — не более 5—10 % общего ее содержания в шихте. Остальная сера распределяется между металлом и шлаком, причем на гори­зонте фурм содержание серы в каплях чугуна достигает 0,2-0,3 %. Далее при прохождении капель чугуна в горне через слой шлака, а также во время пребывания чугуна и шлака в горне сера из чугуна переходит по реакции:

[S] + Fe + (СаО) = (CaS) + (FeO).

Полноту ее протекания часто характеризуют коэффициентом распределения серы между шлаком и металлом L = (S)/[S],

где (S) и [S] — содержание серы соответственно в шлаке и металле, %. Более полному удалению серы (течению реакции вправо) способствуют повышение основности шлака, т.е. содержания в нем СаО и снижение содержания в шлаке FeO. В доменной печи протекание этой реакции облегчено в связи с малым содержанием в шлаке оксида FeO («0,6 %), который восстанавливается углеродом: (FeO) + [С] = Fe + + СО. Положительное же влияние увеличения основности ограничивается уровнем температур в горне, как это видно из рис. 41, на котором показано совместное влияние темпе­ратуры и основности шлака на величину L . Рост температу­ры вызывает при всех значениях основности заметное увели­чение полноты десульфурации, что объясняют понижением при этом вязкости шлака, ведущем к ускорению процесса перехо­да серы в шлак. Основность же можно увеличивать до опре­деленного уровня, после превышения которого величина L

снижается, что вызвано начинающимся загустеванием шлака;

Рис. 41. Влияние основности шлака и температуры на коэф­фициент распределения серы между шлаком и чугуном

повышение температуры ведет к
сдвигу начала загустевания i в
сторону большей основности,
т.е. позволяет иметь шлаки
0,6 1,0 1,2 1,4 1,6 1,6 большей основности и увеличить

CaO/5W_t L .

На десульфурирующую способность шлака положительное влияние оказывает наличие в нем MgO в количестве 5—10%. При этом, как показал опыт, существенно возрастает L в

связи с тем, что MgO вызывает снижение вязкости шлака.

Таким образом, повышению полноты десульфурации в до­менной печи способствуют увеличение до определенного уровня основности шлака, более высокие температуры в гор­не, введение в шлак 5—10 % MgO в случае, если шихтовые материалы содержат мало MgO; больше серы перейдет в шлак также при увеличении его количества. Следует, однако, подчеркнуть, что все эти меры по улучшению десульфурации сводятся к увеличению количества шлака и прихода тепла в горн, и их осуществление вызывает снижение производитель­ности печи и увеличение расхода кокса. Поэтому доменщикам всегда приходится решать вопрос о том, что экономичнее — выплавлять чугун с более низким содержанием серы за счет ухудшения других показателей плавки или наоборот.

Для оценки возможной степени десульфурации предложен ряд эмпирических формул расчета величины L . По данным

В.Г.Воскобойникова величина L при 1450 °С равна: ^LS1450 ^{= 98}*² ~ ^{160х + 72} ~ [0,6А1₂О₃ -- 0,012(А1₂О₃)² - 4,032]лг⁴,

где х — отношение (СаО + MgO + MnO) : Si0₂; А1₂О_э - со­держание глинозема в шлаке, %.

При других температурах нужно пользоваться следующей зависимостью:

^Ls ~ ^smso'

здесь 7j - температурный коэффициент, который может быть определен по формуле т) = 2,7т — 0,067т² — 24,063, где т = = f/100, °С.

При выплавке передельных чугунов фактические значения коэффициента распределения серы L на отечественных печах

при основности шлака 1,0 и более составляет 30—70, при меньшей основности может достигать 22; содержание серы в чугуне составляет 0,015—0,05 %, содержание серы в шлаке 0,55—2,0%. На многих заводах организована внедоменная десульфурация чугуна в чугуновозных ковшах при их транс­портировке из доменного цеха в сталеплавильный. При вып­лавке литейных чугунов вследствие более высоких темпера­тур в горне величина L при основности шлака более 1,0

составляет 51—98, а при выплавке ферромарганца 138—220.

§ 7. ДУТЬВ, ПРОЦЕССЫ В ГОРНЕ И ДВИЖЕНИЕГАЗОВ В ПЕЧИ

1. Дутье

Дутьем служит атмосферный воздух и зачастую воздух, обо­гащенный кислородом. Температура дутья в настоящее время на разных печах находится в пределах 1100—1300 °С, давле­ние перед фурмами достигает 0,4—0,5 МПа, расход дутья на хорошо работающих печах составляет 1,6т-2,3 объема печи в минуту. Его всегда стараются поддерживать максимальным, поскольку при увеличении минутного расхода дутья; больше сгорает кокса и проплавляется шихты в единицу времени, т.е. возрастает производительность печи. В указанных пре­делах для каждой доменной печи в ходе эксплуатации нахо­дят такой допустимый расход дутья, при котором сохраняет­ся ровный сход шихты и после превышения которого он нару­шается, т.е. начинаются подвисания шихты, а также возни­кают локальные продувы шихты газами, т.е. их движение по отдельным каналам в шихте (канальный ход газов). На печах объемом 5000 м³ расход дутья достигает 8500 м³/мин.

Дутье в доменные печи подают из воздуходувной станции от расположенных в ней воздуходувных машин (компрессоров) с приводом в виде паровой турбины и иногда с электропри-

водом, создающими давление дутья на выходе 0,45—0,59 МПа. При обогащении дутья кислородом последний вводят во вход­ной патрубок воздуходувной машины.

Дутье проходит воздухонагреватели, кольцевой воздухо­провод и из него поступает в верхнюю часть горна через равномерно расположенные по окружности горна 16—40 фурм. Выходной диаметр фурм составляет 140—190 мм, высов фурм (расстояние от конца фурмы до футеровки) 300—500 мм, ско­рость дутья на выходе из фурмы 180—240м/мин при расходе дутья на одну фурму 170-230 м³/мин.

2. Процессы в горне

В горне доменной печи встречаются и взаимодействуют два потока: опускающаяся шихта и горновые газы. Сверху в горн опускаются твердые, нагретые до высокой температуры куски кокса, а также жидкий чугун и шлак. Извне через фурмы, расположенные в верхней части горна, поступает нагретое дутье и обычно еще углеводородсодержащие добавки. Вблизи фурм происходит процесс сжигания углерода топлива и угле­водородов природного газа или мазута. Получающиеся горно­вые газы поднимаются вверх навстречу опускающейся шихте.

Основным и важнейшим процессом в горне является сжига­ние углерода кокса, которое обеспечивает:

а) выделение тепла, необходимого для нагрева шихты и
газов, обеспечения процессов восстановления, расплавления
чугуна и шлака и компенсации теплопотерь печи;

б) образование газа-восстановителя СО;

в) образование свободного объема вследствие превраще­
ния твердых кусков кокса в газ, что способствует движению
шихты в печи сверху вниз.

Окисление углерода кокса происходит в сравнительно не­больших по объему участках горна вблизи фурм, называемых окислительными зонами (рис. 42). Большая кинетическая энергия струй дутья вызывает циркуляцию кусков кокса пе­ред фурмами, и они сгорают в окислительной зоне во взве­шенном состоянии. Во внутренней, прилегающей к фурме час­ти такой зоны (кислородной зоне /), углерод, реагируя с кислородом, окисляется до С0₂; в периферийной (углекис-лотной 77) части зоны, где кислород уже израсходован и содержится лишь С0₂, углерод окисляется, реагируя с С0₂,

то-то

Рис. 42. Схема окислительной зоны перед фурмами доменной печи

С + о₂ = С0₂ + 402190 С0₂ + С = 2СО - 166310

С0_г,С0, 0»,%

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Расстояние от торца фурпы, п

Рис. 43. Изменение состава газа и температуры в зоне го­рения у фурм

2С + 0₂ + 3,76N₂ = 2CO + 3,76N₂. В этом случае при горении получается

«>= ^"Ч²^ =34,7% и 2 + 3,76

N, - 'I⁷⁶ : "° = 65,3 %.
² 2 + 3,76

Состав горнового газа изменится, если вдувать дутье, обогащенное кислородом. Например, при содержании в дутье 30% кислорода объемное отношение N₂ к 0₂ равно 70 : 30 = 2,36 и реакция горения записывается так:

2С + 0₂ + 2,36N₂ = 2CO + 2,36N₂.

Горновой газ будет при этом содержать:

СО = - ², ~ 100 = 45,9%; 2 + 2,36

n_? = ; :Т„ юо = 54,1%,

т.е. в нем возрастает содержание СО и снижается N₂; кроме того, уменьшается объем горнового газа вследствие умень­шения количества азота (с 3,76 моля до 2,36 моля на 2 моля СО).

Дутье всегда содержит немного влаги, которая в горне разлагается углеродом: Н₂0 + С = СО + Н₂ - 124870 Дж. По­этому в горновом газе всегда есть немного водорода; на­пример, при содержании в дутье влаги в количестве 1 % (объемн.) (8,035 r/м²) в горновом газе находится 0,8% Н₂ и соответственно снижается содержание азота и оксида уг­лерода.

При вдувании в горн природного газа он неполностью сгорает по реакции: СН₄ + 0,5О₂ = СО + 2Н₂ + 37250 Дж и в горновом газе заметно возрастает содержание Н₂ (до 8—15 % и более). Заметно увеличивается также объем горновых га­зов потому, что при сгорании метана на единицу углерода образуются три моля продуктов горения (СО и 2Н₂), а при сгорании кокса по реакции С + 0,5О₂ = СО лишь один моль СО; объем продуктов сгорания на единицу углерода возрас­тает в 1,7 раз. Вдувание в горн мазута, состоящего как и природный газ из углеводородов, характеризуется теми же процессами, что и одувание природного газа.

При воздушном дутье температура в центре окислительной зоны, где идут экзотермические реакции окисления углерода до С0₂, достигает 1900-2000 °С, а на границе окислитель­ной зоны снижается до 1650—1600 °С вследствие протекания эндотермических реакций С0₂ + С = 2СО. За пределами окис­лительной зоны по мере отдаления от нее температура сни­жается, так как протекают реакции прямого восстановления, идущие с поглощением тепла; в центральной части горна температура чаще всего находится в пределах 1400—1500 °С.

Добавки к дутью кислорода, природного газа и влаги из­меняют температурное состояние горна. Увеличение коли­чества влаги в дутье вызывает снижение температур в зоне горения и в горне, поскольку, как отмечалось, при попада­нии в горн Н₂0 разлагается углеродом с поглощением тепла. Влияние кислорода и природного газа можно оценить, используя формулу, по которой рассчитывают теоретическую температуру горения Т_т топлива. В общем виде применитель­но к сгоранию кокса в горне доменной печи эта формула записывается следующим образом:

т_т = (е_т + бд + Dive

где Q_T — теплота сгорания топлива (кДж/кг); Q_a — энталь­пия (теплосодержание) нагретого дутья (кДж/м³); / - теп­лосодержание углерода топлива, поступающего в зону горе­ния (кДж/кг); V и с — объем и теплоемкость продуктов сго­рания [м³/кг С и кДж/(м³ • К)].

При добавке кислорода к дутью объем продуктов сгорания V, как ранее отмечалось, уменьшается, что в соответствии с приведенной выше формулой вызывает повышение Т_т и тем­ператур в горне. Вдувание природного газа ведет (см. вы­ше) к увеличению объема продуктов сгорания V, и соответ­ственно, к понижению Т_т и температур в горне; это сниже­ние вызывается также тем, что при сгорании природного газа на один моль сгорающего углерода выделяется меньше тепла (37250 Дж), чем при сгорании углерода кокса (117940 Дж), т.е. в формуле расчета Т_т уменьшается вели­чина Q_T.

Во всех случаях температура газов в центре горна не должна быть ниже 1400-1450 °С, так как при более низких температурах заметно понижается температура продуктов плавки и ухудшается десульфурация чугуна.

 

Таким образом, добавка влаги к дутью вызывает снижение температуры горновых газов и небольшое увеличение содер­жания в них водорода; обогащение дутья кислородом -уменьшение объема горновых газов, повышение их температу­ры и содержания в них СО; вдувание природного газа, так же как и других углеводородов, — увеличение объема горно­вых газов, снижение их температуры и существенное их обо­гащение водородом. Эти изменения оказывают как положи­тельное, так и отрицательное влияние на доменный процесс, что рассмотрено в § 8 этой главы.

3. Движение газов в печи и изменение их температуры, состава, количества и давления

Из предыдущего раздела следует, что в горне образуется газ, состоящий из оксида углерода, водорода и азота, на­гретый до высокой температуры и характеризующийся значи­тельным давлением. При движении к колошнику этот газ отдает тепло движущимся навстречу материалам и охлаждает­ся, при этом давление его вследствие преодоления сопро­тивления шихты понижается, а химический состав в резуль­тате процессов восстановления непрерывно изменяется и ко­личество его увеличивается. Эти физические изменения при­водят к понижению температуры газа примерно с 1600 до 250-300 °С, давления на 0,1-0,2 МПа, к снижению содержа­ния СО и Н₂ и повышению содержания С0₂. Ниже эти процессы рассмотрены подробнее.

Распределение газов по сечению печи. Время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. Они движутся по сечению печи неравномерно. Естественно стремление газов двигаться вверх преимущественно над зонами горения, т.е. у стен пе­чи, но в целом распределение газового потока определяется величиной сопротивления слоя шихты. Наибольшие количество газов и скорость их движения наблюдаются в участках с меньшим сопротивлением шихты, как правило там, где в ших­те выше доля кокса и меньше рудная нагрузка (доля агломе­рата). Участки, где газы движутся с ббльшими скоростями, характеризуются повышенными температурами и пониженным содержанием С0₂ в газе; в связи с этим о распределении газового потока по сечению печи судят по результатам за­меров температуры газа и содержания в нем СО_г, производи-

мых в колошнике над уровнем шихты, а также в слое шихты на расстоянии до 7—12 м от уровня засыпи.

Замеры ведут с помощью вводимых через отверстия в ко­жухе и футеровке печи и периодически перемещаемых от пе­риферии к оси печи зондов; зонд представляет собой водо-охлаждаемую трубу, в которой размещены термопара и трубка для отвода пробы газа.

Характерные случаи распределения газового потока в шахте печи показаны на рис. 44. Случай а, когда у стен печи высокие температуры и низкое содержание С0₂, соот­ветствует развитому периферийному потоку газов; случай в — развитому осевому потоку, случай б — несильному пери­ферийному потоку и заметно более развитому осевому пото­ку. Разные случаи распределения газового потока характе­ризуются также различными формой и расположением пластин­ной зоны в печи. Эта зона (см. рис. 37 и пояснения к нему в разделе "Образование шлака" в § 5) состоит из газонеп­роницаемых слоев размягченного, слипшегося и плавящегося агломерата и слоев кокса ("коксовых окон"), через которые проходят газы (их ход показан стрелками). Размягчение агломерата, т.е. формирование пластичной зоны начинается раньше (на более высоких горизонтах печи) там, где дви­жется больше горячих газов. Соответственно, при сильно развитом периферийном потоке газов зона пластичности име­ет W-образную форму, при его ос­лаблении и усилении осевого по­тока зона, проходя через ряд промежуточных положений, приоб­ретает Л-образную форму. Измене­ние формы заметно сказывается на газопроницаемости зоны, которая является участком наибольшего сопротивления движению газов в столбе шихты.

Рис. 44. Изменение содержания С0₂ и

температуры газа по радиусу в верхней

части шахты:

а — периферийный газовый поток; б — " "1

умеренно развитый на периферии ив ₀

центре; в - осевой газовый поток Расстояние от стен

<13141516171819>

---

Дата добавления: 2015-06-22; просмотров: 1444;

---