Vysokopecní procesy

Vysoká pec, vysoká pec – velká metalurgická vertikálně umístěná šachtová pec pro tavení litiny a feroslitin ze surovin železné rudy. Nejdůležitějším rysem vysokopecního procesu je jeho kontinuita po celou dobu pecní kampaně (od stavby pece až po její generální opravu) a protiproud stoupajících dmýchacích plynů se sloupcem materiálu, který neustále klesá a seshora narůstá s novými částmi. poplatku.

Etymologie [upravit | upravit kód]

Slovo „doma“ je odvozeno od staroslověnského „dmenie“ – foukání. V jiných jazycích: anglicky. vysoká pec – vysoká pec, něm. Hochofen – vysoká trouba, francouzština. haut fourneau — vysoká kamna. velryba. 高炉 (gāolú) – vysoká trouba, chorvat. Visoka peć — vysoká trouba.

Je důležité mít na paměti zásadní rozdíl ve významu slov „vysoká pec“ a „domácí pec“: ve vysoké peci získávali (ve formě kusů nebo bloků) kusy redukovaného surového železa (od slova „surové“, tedy neohřáté vysoké) železa a ve vysoké peci získávali tekuté železo.

Historie [upravit | upravit kód]

Tavení železa. Ilustrace z čínské encyklopedie z roku 1637

Vysoká pec ze 17. století

Vertikální řezy Rachetovy pece (3, 4) ve srovnání s vysokými pecemi na blauofen (1), dřevěné uhlí (2) a koks (5) [1]

První vysoké pece se objevily v Číně ve 2. století [XNUMX]. Ve středověku v Evropě tzv Katalánský roh, která umožnila mechanizovat kovářské měchy pomocí hydraulického pohonu, což přispělo ke zvýšení teploty tavení. Pro zvláštní rozměry (metr krychlový) se však ještě nemohla nazývat vysokou pecí.

Bezprostředním předchůdcem vysoké pece byl shtukofen (kvetoucí pece) [3] , které se objevily ve 3,5. století ve Štýrsku. Vysoká pec měla tvar kužele vysokého 4 metru a měla dva otvory: pro čerpání vzduchu (dmýchací trubice) a pro odstraňování výkvětu [XNUMX].

V Evropě se vysoké pece objevily ve Vestfálsku ve druhé polovině 5. století [1490], v Anglii se vysoké pece začaly stavět v 1619. letech 6. století a v budoucích USA – v roce 5 [1630]. To bylo možné díky mechanizaci. Výška vysoké pece dosahovala 1730 metrů. První vysoká pec se objevila v Rusku v roce XNUMX (Tula, Vinius). Ve XNUMX. letech XNUMX. století V uralských továrnách byly vysoké pece postaveny blízko základny přehrady a dvě jednotky byly často umístěny na jeden základ, což snížilo náklady na výstavbu a údržbu.

Výbuch ve většině případů zajišťovaly dva klínovité měchy vyrobené ze dřeva a kůže, které pracovaly střídavě a byly poháněny vodou plněným kolem. Konce trysek obou měchů byly uloženy v nechlazené litinové dýše obdélníkového průřezu, jejíž nos nepřesahoval zdivo. Mezi tryskami a tryskou byla ponechána mezera pro pozorování spalování uhlí. Spotřeba vzduchu dosahovala 12-15 m³/min při přetlaku ne větším než 1,0 kPa, což bylo způsobeno nízkou pevností kožešiny. Nízké parametry foukání omezovaly intenzitu tavení, objem a výšku pecí, jejichž denní produktivita dlouhodobě nepřesahovala 2 tuny a doba setrvání vsázky v peci od okamžiku naložení do vzniku litiny byla 60-70 hodin V roce 1760 vynalezl J. Smeton válcové dmychadlo s litinovým množstvím válců. Tyto stroje se poprvé objevily v Rusku v roce 1788 v Aleksandrovsky Cannon Factory v Petrozavodsku. Každá pec byla poháněna 3-4 vzduchovými válci, spojenými s vodním kolem pomocí kliky a ozubeného převodu. Množství odstřelu se zvýšilo na 60–70 m3/min [7].

Vysoká spotřeba dřevěného uhlí na výrobu železa vedla k ničení lesů v okolí hutních závodů Evropy. Z tohoto důvodu byla ve Velké Británii od roku 1584 zavedena omezení na kácení stromů pro hutní výrobu, což přinutilo tuto zemi bohatou na uhlí dovážet část litiny pro vlastní potřebu v průběhu dvou století nejprve ze Švédska, Francie a Španělska a poté z Ruska. Ve 1620. letech 1735. století se D. Dudley pokusil tavit železo pomocí neupraveného uhlí, ale neúspěšně. Teprve v roce 1735 se po mnoha letech pokusů podařilo A. Darbymu II získat uhelný koks a vytavit z něj litinu. Od roku 8 bylo hlavním palivem pro vysoké pece uhlí (Velká Británie, Abraham Darby III) [XNUMX].

Nízká cena koksu ve srovnání s dřevěným uhlím, jeho vysoká mechanická pevnost a vyhovující kvalita litiny se staly základem pro následné plošné nahrazování organického paliva palivem minerálním. Nejrychleji byl tento proces dokončen ve Velké Británii, kde byly na počátku 9. století téměř všechny vysoké pece přeměněny na koks, zatímco v kontinentální Evropě se minerální paliva začala používat později [XNUMX].

11. září 1828 získal James Beaumont Neilson patent na použití horkého otryskávání (britský patent č. 5701) [10] a v roce 1829 zavedl horký otřes v Clyde Works ve Skotsku. Použití dmychadla ohřátého pouze na 150 °C místo studeného foukání ve vysoké peci vedlo k 36% snížení měrné spotřeby uhlí používaného při vysokopecní tavbě. Nilson také přišel s myšlenkou zvýšit obsah kyslíku ve výbuchu. Patent na tento vynález patří Henrymu Bessemerovi a jeho praktická realizace se datuje do 1950. let 11. století, kdy byla výroba kyslíku zvládnuta v průmyslovém měřítku [XNUMX].

19. května 1857 patentoval E. A. Cowper teplovzdušné ohřívače (britský patent č. 1404) [12], nazývané také regenerátory nebo cowpers, pro vysoké pece, což umožnilo značné úspory koksu. Zavedení horkého větru v uralských továrnách usnadnilo rozšíření v 1860. a 1870. letech 13. století Rashetské vysoké pece, které měly nístěj eliptického nebo obdélníkového průřezu a byly vybaveny lapacími zařízeními pro ohřev vzduchu přiváděného do pece [14] [XNUMX].

Vysoké pece závodu Satka. 1910. Foto S. M. Prokudin-Gorsky

Ve 1,5. polovině 3,5. století se vznikem a rozšířením technologií výroby oceli se požadavky na litiny více formalizovaly – dělily se na ocelářské a slévárenské a pro každý typ procesu výroby oceli byly stanoveny jasné požadavky, včetně těch na chemické složení. Obsah křemíku v litinách byl stanoven na 0,1–XNUMX %. Byly rozděleny do kategorií v závislosti na velikosti zrna v lomu. Existoval i samostatný druh litiny – „hematit“, tavený z rud s nízkým obsahem fosforu (obsah v litině do XNUMX %).

Zpracované litiny se lišily podle fází zpracování. K pudlování se používala jakákoliv litina a vlastnosti výsledného železa závisely na volbě litiny (bílá nebo šedá). Pro bessemerizaci byla určena šedá litina bohatá na mangan a křemík a obsahující co nejméně fosforu. Thomasova metoda byla použita pro zpracování nízkokřemíkových bílých litin s významným obsahem manganu a fosforu (1,5–2,5 % pro zajištění správné tepelné bilance). Surové železo pro kyselý proces tavení na otevřeném ohni muselo obsahovat pouze stopy fosforu, zatímco pro hlavní proces nebyly požadavky na obsah fosforu tak přísné [15].

Při běžném tavení se jako vodítko používal typ strusky, což umožnilo zhruba odhadnout obsah jejích čtyř hlavních složek oxidů (křemík, vápník, hliník a hořčík). Křemičité strusky mají při tuhnutí sklovitý lom. Lom strusek bohatých na oxid vápenatý je kamenný, oxid hlinitý dělá lom lom porcelánový a vlivem oxidu hořečnatého získává krystalickou strukturu. Křemičité strusky při uvolňování viskózních a tažných. Křemičitá struska obohacená oxidem hlinitým se stává tekutější, ale stále může být vtažena do závitů, pokud obsahuje alespoň 40-45 % oxidu křemičitého. Pokud obsah oxidů vápníku a hořčíku přesáhne 50 %, struska se stává viskózní, nemůže téci v tenkých pramíncích a při tuhnutí tvoří zvrásněný povrch. Vrásčitý povrch strusky naznačoval, že tavba je „horká“ – v tomto případě se křemík redukoval a přenesl do litiny, proto bylo ve strusce méně oxidu křemíku. Hladký povrch byl pozorován při tavení bílé litiny s nízkým obsahem křemíku. Oxid hlinitý dodal povrchu strusky vločkovitý vzhled.

Průběh tavby byl indikován barvou strusky. Zásaditá struska s velkým množstvím oxidu vápenatého měla při tavení grafitové „černé“ litiny v lomu šedou barvu s namodralým nádechem. Při přechodu na bílé litiny postupně žloutla až hnědla a při „syrovém“ procesu významný obsah oxidů železa zčernal. Kyselé křemičité strusky za stejných podmínek změnily barvu ze zelené na černou. Odstíny barvy strusky umožnily posoudit přítomnost manganu, který dává kyselým struskám ametystový odstín a bazickým struskám zelený nebo žlutý odstín [16].

Popis a procesy [ upravit | upravit kód]

Hlavní článek: Proces domény

Vysoká pec je nepřetržitě pracující zařízení šachtového typu. Vsázka se nakládá shora přes standardní nakládací zařízení, které zároveň slouží jako uzávěr vysokopecního plynu. Ve vysoké peci se obnovuje bohatá železná ruda (v současné fázi zůstávají zásoby bohaté železné rudy pouze v Austrálii a Brazílii), aglomerát nebo pelety. Někdy se jako rudná surovina používají brikety.

Schéma výroby vysoké pece

1 železná ruda + vápenec 2 koks 3 dopravní pás 4 hrdlo vysoké pece se zařízením zabraňujícím úniku vysokopecního plynu do atmosféry 5 vrstva koksu 6 vrstev vápence, oxidu železitého, rudy 7 horký vzduch (s teplotou cca 1200 °C) 8 struska 9 tekuté surové železo 10 nosič strusky z pánve 11 surové železo v 12 regenerátory (cowper) 13 komín 13 přívod vzduchu do regenerátorů (cowper) 14 uhelný prášek 15 koksárna 16 koksová nádrž 17 výstup plynu pro horký vysokopecní plyn

Vysoká pec se skládá z pěti konstrukčních prvků: horní válcová část – hrdlo, nezbytné pro plnění a efektivní distribuci vsázky v peci; největší výškově se rozšiřující kuželová část – šachta, ve které probíhají procesy ohřevu materiálů a redukce železa z oxidů; nejširší válcová část – parní komora, ve které probíhají procesy měknutí a tavení redukovaného železa; zužující se kuželová část – ramena, kde vzniká redukční plyn – oxid uhelnatý; válcová část – nístěj, sloužící k akumulaci tekutých produktů vysokopecního procesu – surového železa a strusky.

V horní části pece jsou dmýchací trubice – otvory pro přívod dmýchání ohřátého na vysokou teplotu – stlačeného vzduchu obohaceného kyslíkem a uhlovodíkovým palivem.

Na úrovni trysek dosahují teploty kolem 2000 °C. Jak se pohybujete nahoru, teplota klesá a dosahuje 270 °C v horní části pece. Tímto způsobem se v peci ustavují různé teploty v různých výškách, díky čemuž dochází k různým chemickým procesům přeměny rudy na kov.

V horní části topeniště, kde je přísun kyslíku dostatečně velký, koks hoří, vzniká oxid uhličitý a uvolňuje se velké množství tepla.

Oxid uhličitý, opouštějící zónu obohacenou kyslíkem, reaguje s koksem a tvoří oxid uhelnatý – hlavní redukční činidlo vysokopecního procesu.

Jak stoupá, oxid uhelnatý interaguje s oxidy železa, odebírá kyslík a redukuje je na kov:

Fe 2 O 3 + 3 CO = 2 Fe + 3 CO 2 O_+3,CO=2,Fe+3,CO_> >

Výsledné železo stéká po horkém koksu po kapkách a nasycuje se uhlíkem, což vede ke slitině obsahující 2,14–6,67 % uhlíku. Tato slitina se nazývá litina. Kromě uhlíku obsahuje malý podíl křemíku a manganu. Litina také obsahuje škodlivé nečistoty, jako je síra a fosfor, v množství desetin procenta. Kromě litiny se v peci tvoří a hromadí struska, ve které se shromažďují všechny škodlivé nečistoty.

Dříve se struska uvolňovala samostatným odpichovým otvorem pro strusku. V současné době se litina i struska uvolňují litinovým odpichovým otvorem současně. K separaci litiny a strusky dochází mimo vysokou pec – ve žlabu, pomocí separační desky. Surové železo oddělené ze strusky se přivádí do pánví na surové železo nebo do pánví mísičového typu a dopravuje se buď do ocelárny nebo do licích strojů.

Automatizace výroby vysokých pecí [ editovat | upravit kód]

Hlavní směry automatizace a řízení ve výrobě vysokých pecí [17]:

• Chemické složení a fyzikální vlastnosti nábojových materiálů.
• Nakládání dávkových materiálů.
• Stav horní zóny pece (hrdlo)
• Stav šachty pece.
• Kombinované parametry výbuchu.
• Stav spodní zóny pece (nístěj)
• Technické a ekonomické ukazatele tavby.
• Ohřívače vzduchu

Založení pece [ upravit | upravit kód]

Výměna žáruvzdorného zdiva v topeništi vysoké pece

Moderní pec spolu se všemi konstrukcemi a kovovými konstrukcemi, vyzdívkou (žáruvzdorným zdivem) a v ní obsaženými vsázkovými materiály a tavícími produkty může mít hmotnost přes 30 tisíc tun Tato hmota se musí rovnoměrně přenášet do země. Spodní část základu (základna) je provedena ve formě masivní betonové desky o tloušťce až 4 m. Na základnu spočívají sloupy nesoucí kovové konstrukce pece (pažnice). Horní část základu (pařez) je monolitický válec ze žárobetonu, na kterém je umístěna nístěj pece.

Topeniště vysoké pece [ upravit | upravit kód]

Nístěj vysoké pece je spodní část vysoké pece, válcového vnitřního tvaru a kuželového (někdy válcového) vnějšího tvaru. Pec je vybavena zařízeními pro vypouštění litiny a strusky (litinové a struskové odpichové otvory) a zařízeními (dmýchací trubice) pro vhánění vzduchu ohřátého (na cowperových pecích) na 1100-1400 °C, obohaceného kyslíkem na 23-25 ​​%. Nístěj vysoké pece je nejkritičtější částí její konstrukce. Hromadí se zde až 1000 tun nebo více roztavených produktů tavení – železa a strusky. Celý sloupec vsázky o hmotnosti 9-12 tisíc tun vyvíjí tlak na dno pece. Tlak pecních plynů je 0,4–0,5 MPa a jejich teplota ve spalovacích centrech koksu dosahuje 1700–2100 °C. Uvnitř pece se neustále pohybuje a obnovuje koks, tekuté železo a struska a pecní plyny. Je to v podstatě výkonný, nepřetržitě se pohybující reaktor. V tomto ohledu jsou na konstrukce pece kladeny přísné požadavky na pevnost, těsnost a požární odolnost. Hlavními konstrukčními prvky pece jsou plášť, chladiče, litinové a struskové odpichové otvory a dmýchací zařízení.

Litinový odpichový otvor [ upravit | upravit kód]

Odpich surového železa z vysoké pece

Jedná se o obdélníkový kanál o šířce 250-300 mm a výšce 450-500 mm. Žlab je vytvořen v žáruvzdorném zdivu pece ve výšce 600-1700 mm od povrchu nístěje. Kanály pro struskové otvory jsou rozmístěny ve výšce 2000–3600 mm. Litinový odpichový kanál je pokryt žáruvzdornou hmotou. Litinový odpichový otvor se otevírá vyvrtáním otvoru o průměru 50-60 mm pomocí vrtačky. Po odpichu surového železa a strusky (v moderních velkých vysokých pecích se odpich surového železa a strusky provádí litinovými odpichovými otvory) se otvory ucpou pomocí elektrické pistole. Do otvoru se zasune nos pistole a pod tlakem se do něj z pistole přivádí ohnivzdorná hmota. Odpichový otvor vysokopecní strusky je chráněn vodou chlazenými prvky, souhrnně nazývanými zátkami strusky, a dálkově ovládanou pneumaticky ovládanou pákovou konstrukcí. Velkoobjemové vysoké pece (3200–5500 m3) jsou vybaveny čtyřmi střídavě pracujícími litinovými odpichovými otvory a jedním struskovým odpichem. Uvolňování surového železa a strusky z vysoké pece zahrnuje následující operace:

1. otevření litinového odpichového otvoru (a v případě potřeby odpichového otvoru strusky);
2. údržba přímo související s únikem litiny a strusky;
3. uzavření litinového odpichu (pokud byla struska uvolňována odpichem strusky, pak i odpichem strusky);
4. oprava průletových otvorů a žlabů.

Ohřívače vzduchu [ upravit | upravit kód]

Hlavní článek: Ohřívač vzduchu pro vysokou pec

Ohřívače vzduchu se staví ve vysokých pecích od jejich vynálezu E. A. Cowperem, tedy od roku 1857. Ohřívače vzduchu vypadají jako velké věže umístěné vedle vysoké pece. Z vysoké pece vstupuje horký vysokopecní plyn potrubím – výstupem plynu – do ohřívače vzduchu, kde se mísí se vzduchem přicházejícím dalším potrubím ve speciální komoře uvnitř ohřívače vzduchu a hoří. Vzniklý ještě teplejší plyn prochází ucpávkou – sloupem z cihel s mezerou mezi nimi pro průchod plynu. Tento plyn ohřívá trysku a je vypouštěn z ohřívače vzduchu přes třetí trubku. Po zahřátí trysky na požadovanou teplotu se do ohřívače vzduchu přivádí obyčejný, neohřátý vzduch, který se průchodem tryskou ohřeje na teplotu přes 1000 °C a poté jde do vysoké pece k tavení litiny. Tryska se postupně ochlazuje a po dostatečném ochlazení se opět zahřívá spalováním vysokopecního plynu. Z toho je zřejmé, že proces ohřevu vzduchu pro vysokou pec není kontinuální, a protože tavení železa ve vysoké peci probíhá, je s ním postaveno několik ohřívačů vzduchu – přičemž jeden pracuje na ohřev trysky vysokopecním plynem, druhý pracuje na ohřevu trysky vzduchem pro vysokou pec [18].

V závislosti na teplotní zóně vysoké pece, kterou nakládaný materiál prochází, prochází určitými fyzikálními a chemickými procesy:

Palivo, které kleslo na úroveň trysek, hoří v proudu přicházejícího ohřátého vzduchu podle reakce

C + 2 = C2 + 97 650 kal.

Teplota v ohnisku spalování koksu dosahuje 1800-1900°.

C2, v přítomnosti horkého uhlíkového koksu, je redukován reakcí

CO 2 + C → 2СО – 37 100 kal

a zvyšuje obsah oxidu uhelnatého v plynné směsi. Při nižších teplotách se oxid uhelnatý reakcí opět rozkládá

2СО→СО 2 + С + 37 100 kal

a tvoří uhlík sazí, který se účastní procesů redukce a nauhličování železa.

Ke snížení spotřeby koksu ve vysokých pecích se používá zemní plyn. Pro získání nejlepších technických a ekonomických ukazatelů je dmychadlo přiváděné do vysoké pece obohaceno kyslíkem na 30–35 %. Čím vyšší je obsah kyslíku ve vzduchu, tím více koksu lze nahradit zemním plynem. Poměr zemního plynu a kyslíku dodávaného do vysoké pece se nastavuje automaticky.

Proces uvolňování hydratační vody z hnědých železných rud začíná při 250° a končí při 450÷500°. Uvolňování těkavých látek z koksu končí při vyšších teplotách.

Soli oxidu uhličitého obsažené v rudách a tavidlech se při zahřívání rozkládají a absorbují značné množství tepla. Proto se považuje za vhodnější přidávat tavidla do rudy před jejím pražením na sintr.

K redukci železa ve vysoké peci dochází v důsledku postupné eliminace kyslíku z oxidů železa. Redukce železa z oxidu Fe2O3 oxidem uhelnatým probíhá v následujících fázích:

3Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2 + 8870 cal;
2Fe3 + 4CO -> 2FeO + 6CO2 – 2 cal;
6FeO + 6CO→6Fe + 6CO 2 + 19500 kal.

Stupeň redukce železa oxidem uhelnatým závisí na kvalitě rudy – jejích přirozených vlastnostech a povaze předúpravy; teplota, při které dochází k redukci; složení redukčního plynu.

Při vyšších teplotách ve spodní části vysoké pece může být železo z oxidů redukováno uhlíkem (sazemi a koksem):

FeO + C→Fe + CO – 34 460 kal.

Redukované železo se reakcí karbonizuje

3Fe + 2CO → Fe3C + CO2.

Karbid železa Fe3C se rozpouští v železe. Když železo obsahuje více než 2 % uhlíku, výsledné slitiny se začnou tavit při 1145° a nazývají se litina. Typicky se litina ve vysoké peci nauhličuje na eutektické (4,3 %) a dokonce hypereutektické složení (nad 4,3 %).

K redukci oxidů manganu na oxid manganu dochází v teplotní zóně do 700°. Oxid manganatý je redukován uhlíkem při teplotách 1100° a vyšších a probíhá za absorpce tepla reakcí

MnO + C→Mn + CO – 61 830 kal.

Redukce křemíku z oxidu křemičitého uhlíkem vyžaduje velkou spotřebu tepla, vysokou teplotu:

Si2 + 2C ->Si + 2CO

K obnově manganu, křemíku a dalších prvků – chrómu, titanu, niklu, vanadu – se spotřebuje další množství paliva, jsou zapotřebí speciální strusky a nucené tavení. Fosfor ve vysoké peci je zcela redukován. Reakce redukce fosforu zahrnují absorpci velkého množství tepla. Redukovaný Cr, Ni, V, Ti a další prvky přecházejí do složení litiny, což vede k výrobě přírodně legovaných litin.

Síra vstupuje do vsázky vysoké pece s materiály – rudou, palivem a tavidly. V litině a oceli je rozpuštěn ve formě sulfidu FeS a je škodlivou nečistotou. Proto se jej při tavení snaží vázat složkami tavidla a převádět na strusku pomocí oxidu vápenatého podle reakce FeS + CaO + C → Fe + CaS + CO.
Pro úplnější odstranění síry je nutné použít zásaditější vápennou strusku a vytvořit v peci vyšší teplotu.

Struska ve vysoké peci vzniká tavením hlušinové rudy, palivového popela a přidaných tavidel. Při tavení ve vysoké peci se na 1 kg vytavené litiny získá 0,5–0,7 kg strusky.