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.

Источник: mosmet.ru

Последние новости

2012.09.14 - Объем импорта металлопроката в Украину вырос на 17,9% подробнее
2012.09.14 - Власти Москвы в этом году уложили на 40% больше плитки, чем в 2011 году подробнее
2012.09.13 - Приглашаем на форум «Промышленная неделя» подробнее
2012.09.10 - Хирург назвал самые популярные пластические операции среди украинцев подробнее
2012.09.10 - В Китае продается «iPhone 5», работающий под управлением Android подробнее
2012.09.09 - Ремонт дороги на Вороново подробнее
2012.09.07 - В кузнечном цехе котельного завода работает представитель трудовой династии подробнее
2012.09.06 - Представители региональной власти поздравили финансистов с 210-летием финансовой системы России подробнее
2012.09.05 - Где живут знаменитости: квартира Корнелии Манго подробнее
2012.09.04 - Дженнифер Лопес ищет няню подробнее
купить мобил супер 2000 мобил супер 2000 интернет магазин автомасел