Процесс производства чугуна

Производство чугуна в доменных печах было основным процессом производства чугуна с 1709 года, когда доменные печи начали производить чугун с использованием кокса вместо древесного угля.

Доменная печь представляет собой вертикальный реактор непрерывного действия. Сырье, топливо, флюсы и т. д. добавляются сверху печи и стекают вниз; предварительно нагретый воздух вдувается из нижней фурмы и проводит теплообмен и химическую реакцию с нижней колонной материала, что представляет собой операцию противотока, поэтому термический КПД и эффективность реакции довольно высоки.

Благодаря зрелой технологии доменного производства чугуна, разумному потреблению энергии, хорошему качеству продукции и стабильному производству, доменное производство чугуна составляет более 90% от общего объема производства чугуна в мире.

Процесс производства чугуна в доменной печи представляет собой восстановительную плавку, и термодинамический принцип его металлургической реакции полностью изучен. По мере того, как столб материала опускается, он постепенно восстанавливается от высоковалентного железа до низковалентного железа до металла с помощью монооксида углерода и водорода в виде Fe2O3⟶Fe3O4⟶FeO⟶Fe, когда достигает 400 ℃.

Этот процесс восстановления железа из газообразных восстановителей, монооксида углерода и водорода, называется непрямым восстановлением. Реакция непрямого восстановления является обратимой реакцией. Чтобы реакция шла в направлении образования металлического железа, должен присутствовать избыток монооксида углерода или водорода.

Когда столб материала опускается до высокотемпературной области 850-1000°C, кислород в руде может быть восстановлен твердым углеродом, что является реакцией прямого восстановления. Реакция прямого восстановления является необратимой реакцией, но она является эндотермической реакцией и требует сжигания большего количества кокса, чтобы компенсировать эндотермическую теплоту реакции.

Опыт исследований и производства показывает, что прямое восстановление и непрямое восстановление в доменной печи лучше всего проводить в определенной пропорции. Вообще говоря, прямое восстановление составляет от 20% до 30%, а непрямое восстановление — от 70% до 80%.

Колонна доменной шихты представляет собой подвижный слой с очень большой высотой, и равномерное распределение восходящего потока в нем оказывает существенное влияние на рабочую среду и эффективность работы эффективной доменной печи.

Поэтому механические свойства (прочность, износостойкость и др.) различных твердых материалов, особенно кокса, и распределение слоев материала при загрузке имеют особое значение для производства чугуна. Запрещается загружать в доменную печь порошкообразные материалы (менее 31ТП3Т для крупности менее 5 мм).

Порошок руды, прошедший обогащение и обогащение, превращается в искусственную богатую руду путем агломерации порошка железной руды. Агломерация порошка железной руды в основном использует процесс спекания или гранулирования.

Преимущество спекания заключается в том, что из него можно получить аглоруду с высокой щелочностью, хорошими восстановительными характеристиками и хорошими механическими свойствами. Однако газ, образующийся в процессе агломерации, содержит двуокись серы и т. д., что представляет собой проблему, которую необходимо решить и которая наносит ущерб окружающей среде на металлургических заводах.

Сырьем современных доменных печей является в основном аглоруда с определенной долей окатышей. Кокс, используемый в доменной печи, является не только топливом и восстановителем, но и служит опорой для столба материала, обеспечивая газопроницаемость и равномерный поток воздуха в печи.

Ресурс коксующихся углей является самым дефицитным среди всех видов углей, и сокращение количества кокса является важным аспектом прогресса доменной техники. Доменная угольная пыль может заменить часть кокса. В идеале количество кокса и пылевидного угля должно быть 50/50.

Современные доменные печи достигли огромных объемов от 4000 до 5000 кубометров. Большие доменные печи требуют больших вложений в оборудование и средств на строительство, поэтому доменные печи должны иметь длительный срок эксплуатации.

С этой целью следует принять ряд технических мер, таких как выбор разумного типа печи при проектировании, выбор превосходных огнеупорных материалов, создание слоя шлаковой корки на поверхности охлаждающей части для защиты и подавление высокотемпературного нагрева. поток воздуха на краю стенки топки.

Как правило, доменная печь первого поколения имеет возраст около 15 лет, а срок службы доменной печи может составлять более 20 лет. В дополнение к производству чугуна в доменной печи были разработаны два метода производства чугуна без кокса: производство чугуна с прямым восстановлением и производство чугуна с плавильным восстановлением.

Железо прямого восстановления имеет более чем 100-летнюю историю. Он восстанавливается до пористого металлического блока железа, называемого губчатым железом (DRI), в условиях ниже температуры плавления. Чтобы предотвратить его повторное окисление, его можно подвергнуть горячему прессованию в блок, называемый горячебрикетированным железом (ГБЖ).

Железо прямого восстановления имеет низкое содержание углерода и может быть использовано в качестве высококачественного сырья для выплавки стали в электродуговых печах для разбавления остаточных металлов (медь, свинец, мышьяк, сурьма и др.), поступающих со стальным ломом.

После середины 20-го века, с увеличением доли выплавки стали в электродуговых печах, выпуск чугуна прямого восстановления также значительно увеличился.

Цель процесса плавки-восстановления чугуна состоит в том, чтобы заменить кокс углем и напрямую использовать минеральный порошок для плавки расплавленного чугуна, исключая два процесса, загрязняющих окружающую среду, коксование и спекание в чугуне и процесс производства стали, поэтому он высоко ценится металлургическим сообществом. Однако из-за технических сложностей полностью использовать кокс не удалось.