СЖАТЫЙ ВОЗДУХ В МЕТАЛЛУРГИИ
СЖАТЫЙ ВОЗДУХ В МЕТАЛЛУРГИИ, ЛИТЕЙНОМ И КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
1. СЖАТЫЙ ВОЗДУХ В МЕТАЛЛУРГИИ
До сих пор мы рассматривали применение сжатого воздуха для совершения механической работы, получения и переработки информации.
В металлургии сжатый воздух выполняет свою самую древнюю функцию — участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащего кислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии — дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты — домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения. Недаром Михаил Васильевич Ломоносов свою книгу «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763 г.) сопроводил статьей «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном». Сжатый воздух используется почти во всех процессах металлургического производства.
Первый из этих процессов — обогащение руды, т.е. повышение содержания железа или другого металла и понижение содержания вредных примесей. Один из способов обогащения — флотация. Ее осуществляют в специальных ваннах, куда подают тонко измельченную руду вместе с водой — пульпу. Через эту пульпу* продувают сжатый воздух. Пенная флотация основана на том, что одни минералы не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, а другие минералы смачиваются водой и остаются в пульпе. В результате частицы металла всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны.
В пневматических флотационных машинах сжатый воздух подается по трубам под небольшим давлением. Флотацию широко используют для обогащения руд цветных металлов, где содержание основного компонента низкое. В железных рудах содержание основного компонента гораздо выше, но и их приходится обогащать. В черной металлургии флотацию применяют для обогащения марганцевых руд и железно-рудных концентратов, содержащих 70—72% железа.
Следующий металлургический процесс — агломерация, т.е. окомкование мелких и пылеватых руд. Для этого пылеватую руду спекают на агломерационной машине. Агломерационная машина представляет собой металлический конвейер, каждое звено которого выполнено в виде решетки. На этот конвейер из бункера подают увлажненную мелкую руду, смешанную с небольшим количеством топлива — кокса. Конвейер проходит над мощными вентиляторами, которые просасывают воздух сквозь слой смеси руды с коксом. Кокс начинает гореть, руда разогревается до высокой температуры и из мелкой превращается в прочную пористую массу — агломерат. Домна, в которой используют агломерат, дает больше чугуна, чем домна без его применения.
Железо в руде находится в форме окислов. Целью доменного процесса является освобождение железа от связанного с ним кислорода — восстановление. Загрузочный аппарат засыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, топливо (кокс) и флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, чтобы увеличить поверхность их соприкосновения, на которой происходят химические реакции.
В нижнюю часть домны, в ее горн, через специальные отверстия фурмы вдувают горячий воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ СО2. Он поднимается выше, проходит через кокс, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. Поднимаясь выше, она отнимает у окислов железа, содержащихся в руде, кислород и связывает его. Освободившееся железо вступает во взаимодействие с углеродом, образуется сплав — чугун.
Для подачи дутья чаще всего используют центробежные воздуходувные машины с приводом от паровой турбины. На одну тонну чугуна расходуют 2500-3500 м3 воздуха. Производительность воздуходувной машины составляет до 8000 м3/мин. Такое количество холодного воздуха охлаждало бы доменную печь и увеличивало бы расход топлива, поэтому перед подачей в домну воздух предварительно нагревают до 1100—1300°С в воздухонагревателях - кауперах. Их располагают рядом с доменной печью. Кауперы представляют собой закрытые металлическим кожухом башни высотой до 50 м и диаметром до 9 м. Внутри они разделены на две части: камеру сгорания и часть, заполненную насадкой из огнеупорного материала. В камере сгорания сжигают топливо. Продукты сгорания, проходя через насадку, отдают ей свое тепло и раскаляют ее. Когда насадка нагревается до высокой температуры, подачу топлива прекращают. После этого мощными воздуходувными машинами нагнетают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя через раскаленную насадку, воздух нагревается, и его направляют к кольцевому воздухопроводу, опоясывающему домну, — фурменному поясу. Отсюда через фурмы воздух под давлением 0,35—0,4 МПа равномерно вдувается в домну.
Для нагрева насадки требуется определенное время, поэтому для бесперебойного снабжения домны горячим дутьем возле нее устанавливают несколько воздухонагревателей. Одни из них нагреваются, а другие нагревают воздух. Заметим, что в воздухе содержится 1/5 кислорода и 4/5 азота, причем азот ни в каких химических реакциях не участвует, однако на его нагрев тратится тепло. Гораздо выгоднее осуществлять дутье в доменном процессе воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом. Применение кислородного дутья упрощает доменный процесс, позволяет уменьшить его расход на единицу топлива. Это дает возможность уменьшить размеры и мощность воздуходувных установок, воздухонагревателей и трубопроводов, высоту доменных печей.
На целесообразность обогащения дутья кислородом указывал еще Д.И. Менделеев. Однако практическая реализация кислородного дутья стала возможной лишь в 30-40-х годах XX в., когда были созданы достаточно мощные машины для разделения воздуха на кислород и азот в больших количествах. Заслуга создания отечественной кислородной промышленности принадлежит академику П.Л. Капице.
Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. Если процесс выплавки чугуна — восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома — окислительный процесс При выплавке стали удаляются примеси — углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.
Бессемером и Томасом был разработан быстрый и эффективный способ варки стали — конвертерный. Он заключается в том, что расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем кислород соединяется с углеродом, кремнием и марганцем.
Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, сужающийся кверху. Изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. В днище конвертера имеются отверстия, через которые подают сжатый воздух под большим давлением. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его снизу сжатым воздухом. В результате, углерод быстро выгорает, и сплав почти полностью обезуглероживается — образуется сталь. При соединении кислорода с кремнием и марганцем выделяется тепло.Это избавляет от необходимости тратить топливо в конвертерном процессе.
Д.И. Менделеев называл бессемеровские конвертеры печами без топлива. Однако конвертерный способ при использовании продувки чугуна сжатым воздухом имел и ряд недостатков. При продувке металл насыщался азотом, содержащимся в воздухе. Это повышало хрупкость стали и ее склонность к старению. Кислород воздуха не затрагивал вредные примеси — серу и фосфор. При бессемеровском способе можно было применять не всякий чугун, а только содержащий кремний и марганец, которые при окислении выделяют большое количество тепла. Поэтому железный лом конвертерным способом перерабатывать было нельзя, а можно было использовать только жидкий чугун. Гораздо рациональнее использовать для продувки в конвертерном процессе не сжатый воздух, а чистый кислород. Однако во времена Бессемера его еще не научились получать из воздуха в больших количествах.
По всем этим причинам конвертерный способ выплавки стали надолго уступил место мартеновскому способу, который позволяет перерабатывать не только чугун, но и железный лом.
Топливом для мартеновской печи служит мазут или смесь коксового газа, получаемого в коксовых батареях, и доменно-колосникового газа. И эта смесь, и воздух перед подачей в мартен нагреваются в регенераторах. Отличие регенератора от воздухонагревателя доменной печи заключается в том, что для нагрева воздуха в воздухонагревателе сжигается топливо, а в регенераторе используется тепло, выносимое из мартеновской печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. осуществляется регенерация тепла.
Регенератор представляет собой большую камеру, выполненную из огнеупорного материала и заполненную ячейками из огнеупорного кирпича насадкой. У каждой мартеновской печи две пары регенераторов для нагрева газа и воздуха. Пока одна нагретая пара отдает тепло холодным газу и воздуху и постепенно остывает, насадка другой пары регенераторов, через которые пропускаются уходящие из мартеновской печи продукты сгорания, нагревается ими. Когда насадка нагревается до определенной температуры, происходит автоматическое переключение направления потоков газа и воздуха. Нагретые регенераторы начинают работать — отдавать тепло газу и воздуху, а остывшие останавливают на нагрев. Эти переключения производят через каждые 15—20 мин.
Топливо подается в мартеновскую печь всегда с избытком воздуха, поэтому в ней всегда имеется окислительная среда. Уже в процессе загрузки чугуна и лома начинается окисление примесей.
Производительность мартенов составляет 100 т стали в час. Применение обогащенного кислородом воздуха и чистого кислорода интенсифицирует процесс выплавки стали в мартеновских печах так же, как и выплавки чугуна в домнах.
Однако прирост производства стали во всех странах в наше время происходит за счет строительства не мартеновских цехов, а кислородно-конвертерных. Кислородный конвертер устроен так же, как и бессемеровский. Отличие его от бессемеровского в том, что дно у него цельносварное, а кислород подается не снизу, а сверху, под высоким давлением (0,9—1,4 МПа). Корпус и днище кислородного конвертера облицованы огнеупорными материалами. Струя подаваемого кислорода внедряется в жидкий металл и вступает в реакцию с примесями чугуна. В течение первых 5—10 мин окисляются кремний и марганец. В результате реакции окисления выделяется тепло, и температура металла в конвертере поднимается до 1400—1450°С. После этого происходит быстрое окисление углерода - он выгорает. Кислород продолжают вдувать до тех пор, пока содержание углерода не снизится до 2% - При этом металл разогревается до 1600°С. Реакции окисления, проходящие в конвертере, дают столько тепла, что его становится достаточно не только для нагрева жидкого чугуна, но и для расплавления железного лома.
Кислородно-конвертерный способ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным имеет более высокую производительность - до 400—500 т в час. К тому же он свободен от недостатков бессемеровского процесса и годен для любых видов чугуна и железного лома.
Современный кислородно-конвертерный цех — это трехэтажное здание высотой 25 м. Наружный диаметр корпуса конвертера, выплавляющего 300 т стали, составляет более 8 м. Каждый такой конвертер дает 1—2 млн. тонн стали в год. Чистота подаваемого кислорода 99,5%. На каждую тонну производимой стали в минуту расходуется 5 м3 кислорода. Плавка в таком конвертере продолжается всего 35—40 мин. При этом топливо не расходуется. Процесс плавки стали идет за счет тепла, выделяющегося при химических реакциях окисления кремния, марганца и углерода.
Конвертерный способ применяется не только при выплавке стали, но и при выплавке меди в цветной металлургии.
Мы рассказали о важной роли сжатого воздуха и кислорода, содержащегося в нем, при выплавке чугуна и стали. Но в металлургии применяется не только сжатый воздух, но и вакуум.
Качество стали во многом зависит от содержания в ней примесей-частиц шлака, соеденений с серой и кислородом, газовых пузырьков. Вакуум помогает избавиться от примесей. Для этого применяют вакуумирование жидкого металла и вакуумный дуговой преплав.
Пори разливе металл выпускают в ковш Этот металл поглощает газы из окружающей атмосферы. Чтобы предотвратить это поглощение, ковш помещают в вакуумную камеру и создают над металлом разрежение (остаточное давление 134—268 Па). При этом пузырьки газа из жидкого металла выходят на его поверхность и отсасываются насосом. Ковш с металлом выдерживают в вакуумной камере под разрежением 10—15 мин.
За счет вакуумирования можно значительно уменьшить содержание водорода, кислорода и азота в большой массе выплавленного металла. Содержание в нем водорода уменьшается на 40%, в результате чего резко уменьшается хрупкость металла. Однако при последующей разливке обработанный в вакуумной камере металл снова соприкасается с атмосферой цеха и загрязняется примесями, хотя и в меньшей степени. Поэтому в современном металлургическом производстве при изготовлении крупных слитков массой 250—300 т металл вакуумируют при заливке в чугунные или стальные сосуды-изложницы.
В электрометаллургии, служащей для производства качественного металла, также используют вакуум. В вакуумно-индукционной печи, представляющей собой закрытый металлический сосуд , плавку и разливку стали производят в разреженной атмосфере. Для этого печь полностью изолирована от внешней среды.
При вакуумно-дуговом переплаве электрод из переплавляемого металла расплавляется в вакууме. Под действием разрежения из металла выделяются газы, растворенные в нем, испаряются вредные примеси. Газы удаляются из стекающих с электрода капель и из скапливающегося в форме-кристаллизаторе жидкого металла. При этом пузырьки газа увлекают за собой и другие вредные примеси, которые отсасываются из кристаллизатора.
|
| Категория: Метал и Метизы | Добавил: metiz (07.08.2011)
|
| Просмотров: 2926
|
|
