4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии

 

Здесь воздух применяется в качестве реагента, содержащего О2. Главная функция – дутьё, т.е. подача сжатого воздуха в различные агрегаты – домны, мартены, конверторы. Это крайне необходимо для горения во всех металлургических процессах.

Обогащение руды – (1-й процесс) – повышение содержания железа или другого металла в руде и понижение вредных примесей. Один из способов обогащения – флотация.

Сжатый воздух продувают через пульпу. При пенной флотации частицы полезного минерала не смачиваются водой и поднимаются вместе с пузырьками воздуха, а другие смачиваются и оседают на дно – это пустая порода (рис. 4.4).

Широко используется для обогащения руд цветных металлов (% низкий), но и для железа тоже.

 

Агломерация – окомкование мелких и пылевидных руд методом спекания на агломерационной машине (рис. 4.5).

Кокс начинает гореть, руда разогревается и превращается в прочную пористую массу – «слипается» – это и есть агломерат, что позволяет потом в домне осуществить более эффективный процесс выплавки чугуна.

 

Доменный процесс (рис. 4.6). Железо в руде находится в виде окислов. Поэтому нужно освободить железо от связанного с ним О2 – восстановление.

 

Кислород, содержащийся во вдуваемом в печь горячем воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, образуя СО2. Он поднимается выше, взаимодействует с коксом, образуя СО, она отбирает у окислов железа руды кислород и связывает его. А освободившееся железо взаимодействует с углеродом, образуя чугун. На 1т чугуна необходимо 2500 – 3500 м3 воздуха, т.е. V=8000 м3/мин. Чтобы воздух не охлаждал печь, его предварительно подогревают до 1100 – 1300ºC в кауперах.

Насадку греют, сжигая топливо. Затем подачу топлива прекращают и прокачивают воздух. Чтобы процесс подачи был непрерывный, устанавливают несколько кауперов. Заметим, что в воздухе 4/5 азота, т.е. 80% энергии затрачивается впустую, т.к. для горения используется только 20% кислорода.

Очевидно, что выгоднее воздух обогащать кислородом. Но это стало возможным лишь в 30 – 40-х годах XX века с появлением мощных разделительных установок.

Конверторный способ варки стали (бессемеровский). Расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем О2 соединяется с углеродом, кремнием и марганцем (рис. 4.7 а). Этот процесс обратный доменному процессу – окислительный. Таким образом, связывают ненужные компоненты в окислы и удаляют.

При продувке воздухом углерод быстро выгорает и из чугуна образуется сталь. А Si и Mn при соединении с О2 выделяют тепло для поддержки реакции, т.е. конвертор – «печь без топлива» (Менделеев). Недостатки – насыщение стали азотом – хрупкость стали, склонность к старению. Оставались и вредные примеси S и P. Чугун для этого годился не всякий, а только с Si и Mn. Металлолом в конверторе нельзя переплавлять.

Поэтому лучше – мартеновский способ – для переработки чугуна и лома (рис. 4.8).

Здесь тепло для процесса плавления необходимо подводить за счет сжигания мазута, коксового газа, калашникового газа. Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах за счёт тепла, уходящих из печи продуктов сгорания. Нагреваются насадки. Аппараты периодического действия. Поэтому их ставят парами и переключают через 15 – 20 мин. Производительность мартена – 100 т стали в час. Этот способ более прогрессивный.

Кислородно-конвертерный процесс – аналогичен бессемеровскому (рис. 4.7 б). Отличие в том, что кислород подается не через дно, а сверху и под высоким давлением (0,9 – 1,4 МПа). Кислород внедряется в сталь, окисляет Si и Mn с выделением тепла. Температура поднимается до 1400 – 1450ºC. Затем происходит окисление углерода – он выгорает (до 2%), температура достигает 1600ºC, поэтому и лом можно добавлять, тепла хватает. Производительность 400 – 500 т/час.

Во всех этих процессах необходимы компрессорные станции с высокопроизводительными осевыми и центробежными компрессорами, станции разделения воздуха. Некоторые из компрессорных машин представлены на рис. 4.9 и 4.10.