English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

1.Актуальность темы

Известно, что себестоимость чугуна на 35-45% зависит от стоимости основного топлива доменной плавки – кокса, поэтому ученые и исследователи всего мира продолжают работы над снижением его удельного расхода в доменных печах (рисунок 1).

Доменная печь

Рисунок 1 – Доменная печь
(Рисунок анимированный. Размер файла 66,96 КБ; количество кадров - 6; количество циклов воспроизведения - 3 .)

Одним из наиболее распространенных путей снижения удельного расхода кокса является предварительная подготовка его по фракционному составу. Мероприятие по отсеву из кокса таких фракций, как <25 мм и >80 мм, позволяет повысить качество скипового кокса по таким показателям как механическая прочность (М40, М25, М10), горячая прочность (CSR) и реакционная способность (CRI). Применение такого мероприятия благоприятно влияет на ход доменной плавки: улучшается газодинамика столба шихты и снижается удельный расход скипового кокса.

Известно, что наиболее эффективной для доменных печей среднего и большого объёмов является фракция кокса 40-80 мм, применение которой обеспечивает выход на максимальный уровень производительности. Подготовка кокса по фракционному составу к доменной плавке предопределяет образование большого количества отсева кокса фракции менее 40 мм. Как один из вариантов по рациональному использованию отсева кокса предлагается его пересеивать с выделением так называемого коксового орешка с последующей загрузкой его в доменную печь в смеси с железорудной частью шихты.

Первые опыты по применению косового орешка относятся к середине прошлого века. Впервые коксовый орешек применили на Днепропетровском металлургическом заводе в 1967 году. Коксовый орешек фракции 10-40 мм в количестве 93-97 кг/т чугуна загрузили в доменные печи в смеси с агломератом [1]. Опыты показали, что введение коксового орешка в количестве 16,3-17,6% от удельного расхода кокса снижает суммарный расход твердого топлива на 1,8-9,9%.

Основательные исследования влияния перемешивания кокса с железорудными материалами были выполнены под руководством проф. В.И. Логинова. Показано, что при смешивании кокса с агломератом на 12-25% уменьшается газодинамическое сопротивление шихты по сравнению с послойной укладкой, наблюдается повышение степени использования газа СО на 1-3%. Вследствие перечисленных выше причин производительность доменной печи увеличивалась на 1,5-4,0% при снижении расхода кокса на 4-8%.

2. Доменная плавка, основные этапы и цели

Доменная плавка — это важный процесс в производстве стали, который используется для получения чугуна и стали из железорудных материалов, таких как железная руда и шлак (рисунок 2). Этот процесс является ключевым этапом в металлургической промышленности и играет важную роль в производстве разнообразных металлических изделий [2]. Процесс доменной плавки включает в себя нижеперечисленные основные этапы.

Процесс доменной плавки

Рисунок 2 – Процесс доменной плавки

  1. Подготовка сырья: в начале процесса необходимо подготовить сырье, включая железную руду и кокс (уголь, подвергшийся термической обработке), а также добавки, такие как известь и другие материалы, для достижения необходимой химической композиции.
  2. Загрузка сырья: подготовленное сырье загружается в доменную печь, большой вертикальный сосуд, в котором будет происходить плавка.
  3. Обжиг и восстановление: процесс начинается с обжига сырья с помощью горячего воздуха и кислорода. В результате этого процесса происходит окисление материалов, и чугун переходит в состояние жидкости.
  4. Образование стали: чтобы получить сталь, добавляются необходимые легирующие элементы и проводится восстановление, чтобы снизить содержание углерода и других примесей в чугуне. Это позволяет получить сталь с желаемыми механическими свойствами.
  5. Выливка: после получения стали она выливается из доменной печи и перегоняется в формы для создания конкретных продуктов, таких как бруски, плиты, прутки и другие металлические изделия.
  6. Обработка и отделка: полученные заготовки стали могут подвергаться дополнительным процессам обработки, таким как прокатка, нагрев, охлаждение и другие операции для достижения необходимых размеров и характеристик.

Доменная плавка имеет ключевое значение в производстве стали по нескольким причинам.

  1. Массовое производство: Доменная плавка позволяет производить сталь в больших количествах, что существенно снижает стоимость и обеспечивает поставки металла для разнообразных отраслей промышленности.
  2. Многоразовое использование сырья: Этот процесс позволяет использовать различные виды железорудных материалов, включая более низкосортные, и преобразовывать их в высококачественную сталь.
  3. Гибкость и адаптивность: Доменная плавка позволяет легко изменять состав и характеристики получаемой стали, что делает ее подходящей для широкого спектра применений.
  4. Экономичность: Эффективный процесс и возможность использования многих видов сырья делают доменную плавку экономически выгодной для металлургических предприятий.

В итоге доменная плавка является неотъемлемой частью производства стали и обеспечивает мировую металлургическую промышленность с необходимыми материалами для строительства, машиностроения, автомобильной промышленности и многих других сфер.

3. Влияние углерода на качество и свойства получаемой стали

Углерод играет критическую роль в процессе плавки железной руды в домене и оказывает значительное влияние на качество и свойства получаемой стали по нескольким причинам.

Восстановление окиси железа: углерод служит в качестве восстанавливающего агента в процессе доменной плавки. Железная руда обычно содержит окисленные формы железа, такие как гематит (Fe2O3) и магнетит (Fe3O4). Углерод при высоких температурах реагирует с оксидами железа, превращая их в чистое железо и углекислый газ (CO2). Этот процесс, известный как восстановление, позволяет извлечь чистое железо из руды [3-5].

Регулирование углерода в стали: углерод также добавляется в железо в процессе обработки, чтобы достичь желаемого содержания углерода в стали. Количество углерода в стали существенно влияет на ее механические свойства, такие как прочность и твердость. Низкое содержание углерода делает сталь более мягкой и податливой, тогда как высокое содержание углерода делает ее твердой и хрупкой. Поддержание оптимального уровня углерода позволяет получить сталь с нужными свойствами.

Образование углеродных сплавов: углерод также используется для создания различных видов стали с разными свойствами путем добавления других элементов, таких как хром, никель, молибден и другие [6]. Эти сплавы улучшают механические и химические свойства стали в зависимости от конкретных требований и применений.

Важно заметить, что контроль за содержанием углерода и других легирующих элементов в стали является фундаментальным аспектом производства стали, и он влияет на ее качество, прочность, устойчивость к коррозии и другие свойства. Углерод играет ключевую роль в этом процессе, и его уровень должен строго контролироваться, чтобы произвести сталь с требуемыми характеристиками.

Коксовый орешек (или просто кокс) является важным компонентом в процессе доменной плавки стали, так как он используется для введения углерода в железо [7]. Физические свойства коксового орешка:

  1. пористость: кокс характеризуется высокой пористостью, что делает его отличным материалом для процесса доменной плавки. Эта пористость позволяет легко пропускать газы через него, что важно для обеспечения хорошей циркуляции воздуха и подачи кислорода в домен.
  2. Высокая плотность: кокс имеет высокую плотность, что означает, что он обеспечивает хорошую поддержку для зерен железа в домене, что способствует стабильному процессу плавки.
  3. Теплопроводность: кокс обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет равномерно распределять тепло внутри домена и обеспечивать равномерное плавление железа.

Химические свойства коксового орешка:

  1. содержание углерода: кокс содержит значительное количество углерода, что делает его идеальным источником этого элемента для процесса доменной плавки. Углерод из кокса реагирует с железом, образуя углеродное железо, что важно для создания стали с нужными характеристиками.
  2. Устойчивость к высоким температурам: кокс устойчив к высоким температурам, что позволяет использовать его в условиях доменной плавки, где температуры могут достигать нескольких тысяч градусов Цельсия.
  3. Минимум примесей: кокс обычно содержит минимум примесей, что важно для предотвращения загрязнения стали в процессе плавки.

Коксовый орешек используется как топливо в доменной печи, где он горит при наличии кислорода, создавая высокие температуры и обеспечивая необходимую реакцию между углеродом из кокса и железом. В результате этой реакции происходит процесс восстановления железа, и углерод вступает в соединение с железом, образуя углеродное железо. Это позволяет контролировать содержание углерода в стали, что является ключевым фактором для определения её механических и химических характеристик.

Способность коксового орешка предоставлять углерод и выдерживать высокие температуры делает его идеальным материалом для обеспечения качественной и эффективной доменной плавки.

4. Химические реакции восстановления оксидов железа при использовании коксового орешка

Процесс восстановления оксидов железа с использованием коксового орешка (кокса) - это химическая реакция, которая включает в себя восстановление железных оксидов (Fe2O3 и Fe3O4) к металлическому железу (Fe) с использованием углерода (С) в коксовом орешке. Этот процесс часто используется в металлургической промышленности для получения чистого железа из руды [8].

Основные подробные химические реакции, происходящие в процессе восстановления оксидов железа с коксовым орешком:

  1. Восстановление оксида железа (III) (Fe2O3): 2Fe2O3 + 3C -> 4Fe + 3CO2
    В этой реакции оксид железа (Fe2O3) взаимодействует с углеродом (C) в коксовом орешке. Углерод в коксе окисляется, образуя углекислый газ (CO2), в то время как оксид железа восстанавливается до металлического железа (Fe).
  2. Восстановление оксида железа (II) (Fe3O4): 3Fe3O4 + 4C -> 9Fe + 4CO2
    Эта реакция аналогична первой, но здесь оксид железа (Fe3O4) взаимодействует с углеродом (C) для образования металлического железа (Fe) и углекислого газа (CO2).

Перераспределение углерода в этих реакциях происходит таким образом:

• в начале процесса углерод находится в коксовом орешке в форме твердого углерода (C). В ходе реакций он окисляется и превращается в углекислый газ (CO2), который выделяется в атмосферу как продукт сгорания.

• В то же время углерод, который ранее находился в оксидах железа, перераспределяется на атомарный уровень и вступает в реакцию с оксидами железа. Он служит в качестве восстанавливающего агента, который передает свои электроны оксидам железа, в результате чего оксиды железа восстанавливаются до металлического железа.

Таким образом, углерод из коксового орешка участвует в процессе восстановления оксидов железа, а его атомы перераспределяются, чтобы обеспечить восстановление железа и образование углекислого газа. Этот процесс является ключевым в производстве чистого металлического железа и других металлов из руды.

Использование коксового орешка в процессе доменной плавки может оказать существенное влияние на физические и химические свойства получаемой стали [9-10]. Важно отметить, что коксовый орешек представляет собой карбонат кальция, который добавляется в доменную печь для различных целей, таких как улучшение качества стали и регулирование процесса плавки.

  1. Химический состав.
    Добавление коксового орешка может изменить химический состав стали. Коксовый орешек может вносить оксид кальция (CaO) и оксид магния (MgO) в расплав, что может влиять на уровень летучих компонентов и активность кислорода в системе. Это может привести к изменениям в структуре и свойствах стали.
  2. Механические свойства.
    Применение коксового орешка может улучшить механические свойства стали, такие как прочность и устойчивость к ударным нагрузкам. Это связано с образованием внутренних включений, которые способствуют улучшению структуры стали.
  3. Содержание включений.
    Коксовый орешек может также влиять на количество и тип включений в стали. Он может служить как нуклеант (центр зарождения) для образования сульфидных и оксидных включений, что может улучшить управление их размерами и распределением.
  4. Снижение содержания фосфора.
    Введение коксового орешка может способствовать снижению содержания фосфора в стали. Это важно, так как высокое содержание фосфора может негативно влиять на механические свойства стали.
  5. Конечный состав стали.
    В результате введения коксового орешка может измениться конечный химический состав стали. Это может потребовать дополнительной коррекции состава для достижения требуемых характеристик.
  6. Теплопроводность и распределение температуры.
    Использование коксового орешка может также влиять на теплопроводность и равномерное распределение температуры в расплаве. Это может повлиять на структуру и физические свойства стали.

Все эти изменения будут зависеть от конкретных условий и параметров процесса доменной плавки, а также от типа и количества коксового орешка, используемого в процессе. Поэтому необходимо провести детальные исследования и эксперименты для определения оптимальных условий использования коксового орешка для достижения требуемых свойств стали.

Использование коксового орешка в процессе доменной плавки влияет на физические и химические свойства стали. Вот какие изменения можно наблюдать:

  1. Химический состав стали.
    Углерод: коксовый орешек может содержать углерод, который вносит изменения в конечный химический состав стали. Добавление орешка может увеличить углеродное содержание, влияя на твердость и прочность стали.
    Сера и фосфор: коксовый орешек также может содержать следы серы и фосфора, что может повлиять на соответствующие химические характеристики стали, такие как её коррозионная стойкость.
  2. Механические свойства стали.
    Прочность: добавление коксового орешка может повысить прочность стали за счет увеличения углеродного содержания и улучшения структуры.
    Твердость: изменения в углеродном содержании могут также повлиять на твердость материала.
    Ударная вязкость: поведение стали при ударных нагрузках может измениться из-за изменений в структуре и составе.
  3. Структура стали.
    Зернистость: использование коксового орешка может повлиять на размер зерен стали, что может отразиться на её механических свойствах.
    Осадки и включения: добавление орешка может также вызвать образование новых фаз или включений в структуре стали.
  4. Процесс обработки.
    Энергопотребление: использование коксового орешка может влиять на энергопотребление в процессе плавки и формирования стали.
    Эффективность процесса: введение орешка может также влиять на эффективность процесса обработки металла, скорость плавления, выход продукции и т.д.

Это не исчерпывающий список изменений, и влияние коксового орешка может зависеть от его химического состава, размера частиц, количества добавления и других факторов. Результаты могут отличаться в зависимости от конкретных условий производства стали и технологии обработки.

Некоторые общие аспекты улучшения технологии доменной плавки с использованием коксового орешка:

  1. Оптимизация процесса плавки.
    Анализ и оптимизация параметров процесса доменной плавки, таких как температура, давление, и скорость, могут значительно повлиять на эффективность процесса и качество выплавляемого металла.
  2. Контроль качества кокса.
    Обеспечение высокого качества кокса, используемого в процессе, может улучшить эффективность плавки и снизить затраты на обслуживание оборудования.
  3. Использование передовых технологий.
    Внедрение современных технологий и инновационных методов в области металлургии может улучшить производительность, энергоэффективность и уменьшить воздействие на окружающую среду.
  4. Управление отходами и экологические аспекты.
    Разработка и внедрение программ управления отходами, а также учет экологических аспектов процесса, помогут соблюсти стандарты безопасности и снизить негативное воздействие на окружающую среду.
  5. Обучение и развитие персонала.
    Обучение персонала с учетом передовых методов и технологий может повысить квалификацию сотрудников, что сказывается на общей эффективности производства.
  6. Стратегическое планирование.
    Разработка долгосрочных стратегий развития, включая инвестиции в исследования и разработки, позволит оставаться конкурентоспособным на рынке и справляться с вызовами отрасли.
  7. Мониторинг и анализ данных.
    Регулярный мониторинг производственных данных с последующим анализом позволяет выявлять узкие места в процессе и вносить коррективы для повышения эффективности.

Список источников

  1. Борисоглебский Ю. В., Ветюков М. М. Металлургия цветных металлов: Учебное пособие. - Л., изд. ЛПИ, 1986. - 88 с.
  2. Bahgat, М., Abdel Halim, K.S., El-Kelesh, Н.А., Nasr, M.I. Blast furnace operating conditions manipulation for reducing coke consumption and CO 2 emission// Steel Research International. 2012. № 83(7). P. 686-694.
  3. Анализ процессов доменной плавки при обогащении дутья кислородом / И.Г. Товаровский, В.П. Лялюк, А.Е. Меркулов и др. II Бюл. ин-та «Черная металлургия». 2011. № 5. С. 20-33.
  4. Интенсификация работы доменных печей подбором оптимального соотношения расходов природного газа и кислорода / В.А. Гостенин, С.Н. Пишнограев, А.В. Чевычелов и др.//Сталь. 2012. №2. С. 7-11.
  5. Интенсификация работы доменных печей путем оптимального соотношения расходов природного газа и кислорода / В.А. Гостенин, С.Н. Пишнограев, Н.С. Штафиенко и др. II Бюл. инта «Черная металлургия». 2011. № 6. С. 16-22.
  6. Спирин Н.А., Федулов Ю.В., Овчинников Ю.Н. Распределение технологического кислорода между печами доменного цеха II Изв. вузов. Черная металлургия. 1993. № 11-12. С. 68-72.
  7. Khaled S Abdel-Halim, V. N. Andronov, М. I. Nasr. Blast furnace operation with natural gas injection and minimum theoretical flame temperature II Ironmaking & Steelmaking. 2009. № 36(1). P. 12-18.
  8. Khaled S Abdel-Halim. Effective utilization of using natural gas injection in the production of pig iron II Materials Letters. 2007. №61(14-15). P. 3281-3286.
  9. Сибагатуллин С.К., Майорова Т.В. К расчету показателей хода доменного процесса при повышенном общем перепаде давления газов II Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 3. С. 16-18.
  10. Сибагатуллин С.К., Майорова Т.В. Увеличение работы газового потока в доменной печи с повышением общего перепада давления по высоте II Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 1. С. 14-16.