Домна процесінде шойын мен шлактың қалыптасуының физика-химиялық негізі, дәріс жоспары

 Дәріс 5. Домна процесінде шойын мен шлактың қалыптасуының физика-химиялық негізі 

Домналық балқытудың басқа редукциялық процестерден айырмашылығы, ол кесептелген шикізат пен фракциясы ≥40(35) мм сұрапталған кокспен жұмыс істеді. Кесектелген шикізат флюстелген агломерат түрінде және аз дәрежеде – күйдірінде түрінде тиімді қолданылады. Домналық пештің тәжірибелік жұмыстарында, әсіресе Магниторск металлургиялық комбинатында домналық шихтада күйдірінді үлесінің 30% – ке дейін артуы, газодинамикалық режимінің бұзылуына және пештің жұмысының эффектілігінің төмендеуіне себепші болатындығы көрсетілген. Агломерат, негізгі шикізат ретінде беріктік, кесектілік және алғашқы жұмсартудың жоғарғы температурасы (1100-1150°С) сияқты металлургиялық көрсеткіштермен сипатталады. Агломераттың осы сапалары арнайы технологиялық дайындау арқылы қамтамасыз етіледі. Агломерациялық шихтаны агломерацияның материалдық және жылу балансын есептеуге арнайы әдіс ұсынылған. Бұл бөлімде тек алынған агломераттың құрамына қатысты есептеудің тек бір бөлігін ғана қарастырамыз.

Агломерациялық шихта негізінен үш негізгі компаненттен тұрады: шихтаның кендік бөлігі (концентрат, кеннің ұсақ фракциясы < 8 мм), коксик және флюс. Тәжірибеде көп жағдайда әртүрлі сұрыпты концентратты пайдалануға тура келеді, металлургиялық өндірістің құрамында темірі бар ұсақ қалдықтарды (колошникті шаң, окалин, пиритті күйінді және басқалар) шихтаның құрамына енгізеді. Сондықтан аглошихтаның компоненттер қатарына сәйкес массалық үлесті шикізаттардың бірнеше түрлерін жазуға және шихтаның кендік бөлігінің орташа өлшенген химиялық құрамын анықтауға тура келеді. Коксик пен флюсқа келсек, оларда да осындай жағдай туғызуы мүмкін. Коксик агломерациялық процестің отыны ретінде, экономия мақсатында аздап (2-10%) көмірмен алмастырылады. Флюс те екі түрден тұруы мүмкін, агломераттағы арнайы тотықтардың (мысалы, MgO, Bao) құрамын реттеу қажеттігі туған кезде, ал әктаста – негізінен флюст – бұл заттардың мөлшері жеткіліксіз.

Алынған флюстелген агломерат  берілген металлургиялық сипаттамалармен дайындалған және кесектелген шикізат сияқты. Аглошихта компаненттерінің агломерат бірлігіне меншікті шығынын анықтау тапсырмасы домна шихтасын жанама есептеу үшін де маңызды.

Темір кенді материалдардың , агломерат бірлігіне (2.15) (2.16) шығыны алынғандарды ескергендегі теңдеуі бойынша анықталуы мүмкін:

мұнда, «к» және «км» индекстері – сәйкесінше кокс пен кокс шаңына байланысты; «ф» – флюске; Р_н – домналық пештегі кокска тұсірілетін кендік қысым (өндірісте қол жеткізілетін деңгейде қабылдаймыз); g_i – домналық балқытуға тиелетін теміркенді материалдардың әртүрлі сорттарының массалық үлесі, агломерацияланған материалдарды ескерілген.

Берілген әдісте домналық балқытуға жіберілетін шикізаттың барлық теміркендік бөлігі бірге теңестіріледі. Шикізаттың бір бөлігі агломерация арқылы, ал қалған бөлігі тікелей домна пешіне (күйінді, кесекті кен, металлқоспалар) беріледі.

Мұндай жағдай шихтаның болуы мүмкін барлық компонентері және олардың химиялық құрамының ортақ кестесін құруға және одан әрі осы кестенің негізінде есептеуді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Таблица 12 қатар және 22 бағаннан тұрады. 12-ші қатарында агломерация (1 қатар) үшін коксиктің химиялық анализі, агломерацияға берілетін шихтаның кендік бөлігінің компоненттері (2,3,4,5 қатар), домналық пешке тікелей берілетін шихта компоненттері (6,7,8,9,10), домналық балқытудың алғашқы технологиялық нәтижелері қолайлы болу үшін арнайы кестеге жазылған. Есептеу ЭЕМ-да жасақталған программа бойынша жүргізіледі.

Есептеу алгоритмінің түсініктемесі

Жасақталған есеп алгоритмі іс жүзінде жүретін технологиялық процесстерге мейлінше жақындатылып жазылған, сонымен қатар ол процестердің әр сатысын шихта құрамын анықтаудан бастап, ақырғы металл өнімдерін алуға және өндірістің техника – экономикалық көрсеткіштерін алуға дейін қамтылған. Домна процессінің ерекшелігі оның техника – экономикалық көрсеткіштері пештің құрылымы мен оның геометриялық өлшемдеріне тура есептелуіне байланысты. Мысалы, профессор А.Н. Раммның [2] есеп шығару тәсілдері бойынша табылатын пештің өлшемдері технологиялық процесстерге байланыссыз есептеледі. Профессор А.М. Повловтың [1] тәсілдері бойынша шығарылатын есептер технологиялық процесске байланысты, бірақ ол технологиядан тек кокстың жану жылдамдығын ғана есепке алып, көп параметрлерді практикадан коэффициенттерде белгілі мөлшерде қателіктер кетуі анық. Осы есепті дәлсіздікке әкелетін ескі тәсілдердегі нұсқауларды еске ала отырып, жаңа жасақталған тәсілдерде пештің өлшемдерін анықтауға арналған есептерден болжам арқылы қабылданатын коэффициенттер толығымен тәсілдерден шығарылып тасталып, олардың орнына теориалық жолмен анықталатын функциялық формулалар қолданылады. Күрделі есептерді шығарудың алдан ала процесске қолданылатын шихта копоненттері, олардың химиялық құрамдары, қолданылатын процесстің параметрлері мен коэффициенттер кестелік массив түрінде құрастырылады. әрбір массив өзінің аты (файлы), кезекті номері бойынша программаға енгізіледі. Олар программада тұрақты түрде қолданылады. Студенттерге берілетін есеп-шоттың түрлері массивтердің номерлері мен торларында (ячейка) бағытталып, түрлі шарттармен шектеледі.

Темір рудалары мен барлық компонентті шикізаттарды металлургиялық жолмен өңдеу үшін алдын ала қойылған мақсат бойынша алынатын металдың шойыннан керекті құрамы беріледі. Мысалы, алынатын шойында темірдің пайызы А[12,22] – массивінің [12,2] – торында көрсетілген және ол шихтадан алынатын металл мөлшерін анықтауға қолданылады. Металдың 1 шихтадан шыққан мөлшері, әдетте, ол бірден төмен, ары қарай металдың 1 бөлігіне жұмсалатын шығындарды анықтауға пайдаланылады – олар руданың, кокстың, флюстің өзіндік шығындары. Руда мен кокстың шығындары руданың коксқа жүктелу коэффициенті арқылы тексеріледі. Кокстың ішіндегі күлдің мөлшері 10-13 % – шамасында болады. Сондықтан да руданың жүктелу коэффициентін қабылдағанда кететін 1 %-дық қателік шлактың шығымын анықтағанда 0,1 %-дық қателікке тең болады. Осы негізгі үш компоненттің шығыны процесстен алынатын шлактың мөлшерін анықтауға мүмкіндік тудырады. Сол шлактың мөлшері мен құрамын анықтау арқылы балқытып алынатын металдың мөлшері мен құрамын анықтауға болады. Одан ары есептеп алынған металл құрамын алдын ала тапсырма бойынша берілген металл құрамымен салыстырамыз. Егер құрамындағы компоненттердің айырмашылығы 1 %-дан артық болса, онда есеп итерациялық тәсіл бойынша қайталанады. Енді тапсырма бойынша алынатын металдың құрамының орнына есептеліп шыққан металл құрамын қоямыз.

Есептің алғашқы берілген компоненттері, құрамдары, көрсеткіштері 5.2 кестеге реттеліп жазылған. Шихта компоненттері әр 1-10 қатарларда берілген. Оның виртикалдық номерлері 1-18-ге дейін химиялық құрамды көрсетеді. Оның ішінде 8 және 19-шы номерлер ерекше есепке алынады. Бұл номерлерде FеО және МnО концентраттарының агломерацияға дейінгі және одан кейінгі айырмашылығы өзінің + және – белгісімен тек агломерацияға жататын шихта компоненттері 2-5 қатарға дейін қолданылады. Вертикалды 20, 21 номерлері η_S және h_S арқылы шихта қатарындағы компоненттердегі сульфид күкітінің үлесі агломерациялық процессте ұшу дәрежесі келтірілген. Қатарлары 6-10 номерлер бойынша осы көрсетілген коэффициенттер домна пешіне тікелей жүктелетін материалдарға жатады. 10-кестеде жазылған кокстың 5-8 және 19,22 вертикал ячейкалары кокстың құрамына жатпайды, сондықтан да олар кокстың 100 %-тік мөлшерін табуға қолданылмайды. Бұл ячейкаларда кокстан ұшатын газдардың коксқа шаққандағы массалық пайыздары орналастырылған. Темір құрамды шихта компоненттерінің жалпы қосындысын 1-ге тең деп аламыз. Соның ішіне кіретін әрбір компонент сол 1-дің массалық бөлігі ретінде қарастырылады. Қабаттары 2-ден 8-ге дейінгі компоненттердің шихта қосындысындағы 1-ден өзіндік үлесі вертикалды ячейка 22-де келтіріледі. Вертикал 9, 10, 11, 12 ячейкалары басқа алдын ала берілген көрсеткіштермен толтырылған. Олар өз алдына «қосымшада» анықтап көрсетілген.

Таблицаның бірінші қатарында агломерациялық процесске пайдаланылатын коксик көрсетілген. 22 топшада агломерациялық шихтадағы коксиктің массалық үлесі берілген. Одан ары 2, 3, 4, 5 қатарларда агломерацияға жіберілетін және домнаға тиелетін агломерат түріндегі темір кендерінің әртүрлі сорттары көрсетілген. 6, 7, 8 қатарларда агломерацияға және тағы басқа технологиялық өңдеуге ұшырамай тікелей домна пешіне жүктелетін кесекті темір кендерінің сипаттамалары келтірілген. 9, 10 қатарларға сәйкесінше флюс пен кокс енгізілген. Олардың шихтадағы мөлшері есептелетін болғандықтан, 22 бағанға осы компоненттердің массалық үлесі жазылмайды. Сондықтан 22 номерінің астындағы торлар не бос, не басқа өлшемдер жазылған болады. 11, 12 қатарларда балқыту процессінің алғашқы жағдайы және отындық қоспаның компоненттері көрсетілген.  Енгізілген алғашқы нәтижелердің мазмұны бөлек қосымшаларда берілген.

Қосымшаларда пештің өлшемдерін және колошникті газдың құрамын анықтағанда ескерілетін кокстағы ұшатын заттардың құрамының салмақтық пайызын анықтау үшін мүмкіндіктер көрсетілген.

Домналық балқыту процессінің алғашқы шарттары пештің практикалық жұмыс тәжірибесінде тұрақтандырылады, және де қазіргі кездегі жағдайда жабдықтың келесі мүмкіндіктері мен сипаттарына байланысты таңдап алынуына болады:

1. Ыстық үрлеу температурасы жергілікті мүмкіндіктерге және ауа үрлегіш және ауаны қыздырғыш аппараттарға байланысты қабылданады. Қазіргі кездегі домналық пештерінің жетілдендірілген жабдықтарда 1000 -1200 ⁰С аралығында қабылдауға мүмкіндік бар.
2. Құрғақ үрлеудегі оттегінің көлемдік үлесі – r₀ жергілікті мүмкіндіктеріне, оттекті цехтың қуаты мен санына, отындық қоспалардың түрлеріне және олардың ресурстарына байланысты беріледі.
3. Отындық қоспаның түрі, үрлеудің температурасы және үрлеудің мөлшері берілген жағдайда отындық қоспаның шығыны фурмадағы жануының теориялық температурасын есептеу кезінде анықталады, бұл температура 1800 – 2000 ⁰С аралығында болуы керек. Сұық және қатты отынның шығыны кг/т шойынға, ал газ түріндегі отынның шығыны нм³/т шоынға анықталады.
4. Кендік қысым тек қана кокстағы темір мен күлдің мөлшерін есептейтін алдын ала есептелетін есепке қатысады. Содан кейін есеп нақтыланады. Бірақ кендік қысымның мәнін үлкен қателікпен алғанның өзінде ± 0,5 (яғни, шамамен 15%), бұл есептің қателігі негізгі параметрлерді анықтағанда қатты әсер етпейді. Кендік қысым температураға және үрлеуді оттегімен байытуға, отындық қоспаның шығыны 3,0 – 4,0 тәуелді таңдап алынады.
5. Колошникті газдың температурасы тиелетін шихтаның температурасына тәуелді. Ыстық агломератты жүктеген кезде, бұл температура 350-400 ⁰С аралығында болады. Суық шихтаны тиегенде, колошникті газдың температурасы 150-220 ⁰С аралығында өзгереді. Температура қанша есе төмен болса, сәйкесінше кендік қысым және үрлеудегі оттегінің мөлшері сонша есе жоғары мәнге ие болады.
6. Қайта қорытылатын шойынның температурасы (t_r) қазіргі кезде қарқынды жұмыс істеп тұрған пештерде неғұрлым тұрақты және1420 – 1460 ⁰С-ға тең.
7. Шлактың температурасы (t_ШЛ) шойын температурасынан шамамен 30 – 40 ⁰С-ға артық.
8. Үрлеудің С_Ү, колошникті газдың С_КГ, шойынның С_Ш, шлактың С_ШЛ, ылғалдың және шихтаның С_Ш кез-келген температурадағы жылусыйымдылықтары кестенің көмегімен анықталады (анықтамадан қараңыз «Доменное производство» т.1, 1963 ж.).
9. Агломераттағы темірдің тотығу дәрежесі агломерацияда отынның шығынына байланысты c_Fe= 0,15 – 0,2 аралығында алынады.
10. Шлак пен шойынға элементтердің таралу коэффициенті мүмкіндігінше тұрақты және 5.1 кестеге сәйкес тұрақты мән ретінде қабылданады.

Кесте 5.1 – Домналық балқыту кезінде шлак пен шойынға элементтердің таралу коэффициенті

Индексы при L-ден кейінгі индекстер берілген заттардың таралу коэффициенттерін көрсетеді.

11. Сутегінің редукциялық қасиетін пайдалану дәрежесі – h_n 0,4-0,55 аралығында өзгереді. Жоғарғы мән сутегінің аз шығындалатынын (горндағы газдың құрамындағы сутегінің концентрациясы аз болғанда), астыңғы мән – салыстырмалы түрде жоғарғы шығын (әсіресе, табиғи газдың көп шығындалатындығын, 120 – 200 нм³/т кезінде) көрсетеді.
12. Көміртегі тотығының редукциялау қабілетін пайдалану дәрежесі – h_СО алдын-ала лабораторияда берілетін темір кендік материалдардың редукциялану мәндерінен алады. Әдетте кеннің редукциялануының мәні СО-ның пайдалану дәрежесінің нақты мәніне сәйкес алынады. Жұмыстың тәжірибелік нәтижесі бойынша қазіргі кездегі домна пештерінде көміртегі тотығының редукциялық қабілетін пайдалану дәрежесі 0,28-0,4 аралығында өзгереді.
13. Ішкі кеңістікке және суытатын ортаға жұмсалатын жылу шығынын ескеретін коэффициент h_T – өте тар аралықта алынады 0,92 – 0,94.
14. Үрлеумен шығындалатын ылғал– g_ЫЛ кг/т шойын) ауаның ылғалдылығына және табиғи газдың шығынына тәуелді. әдетте 15-35 кг/шойынға тең болады.
15. Кокстың алғашқы шығыны шихтаның флюстелген темір кендік бөлігінің кендік қысымға қатынасы ретінде қабылданған кендік қысым мәнімен анықталады және тек флюстің шығынын алды ала анықтау үшін пайдаланылады. Содан кейін қабылданған кокстың шығыны есептелген кокстың шығынымен салыстырылады. Айырмашылығы 0,05 болса, қайта есептеледі. Келесі есептерде қабылданған кокстың шығыны есептелген мәнмен алмастырылады.

1000 – 1100 °С үрлеу температурасында және 1 тонна шойынға 40 кг отындық қоспа шығындалғанда құрамында шамамен 48 – 52 % темір бар флюстелген темір кенді материал үшін кендік қысымды шамамен 3,0 – 3,2 аралығында, ал құрамында шамамен 52 – 58 % орташа өлшенген темір бар флюстелген темір кенді материал үшін кендік қысымды шамамен 3,2 – 3,6 аралығында қабылдауға болады.

16. Шлактың негізділігі В негізінен шихтамен келетін (кен және кокс) күкірттің мөлшеріне сәйкес анықталады. Күкірт мөлшері 0,6-0,7 % болатын кокспен жұмыс істейтін, Орталық, Орал, Шығыстың заводтары үшін шлактың негізділігі 0,95-1,15 аралығындағы мәнге ие болады. Оңтүстік заводтары құрамында күкірт мөлшері – 1,5-1,75 %, сондықтан шлактың негізділігі В = 1,2 – 1,3.
17. Қайта қорытылатын шойынның құрамында көміртегі мөлшері 4,2 – 4,3, ал құйылатын шойында – 3,9 – 4,1 % болады. Бірақ бұл көміртегі концентрациясы шойын құрамын анықтағанда қайта есептеу кезінде тексетіледі.
18. Шойындағы кремний мөлшері балқыту процессінің технологиялық режимінің және пештің жылулық күйінің ерекшеліктеріне байланысты 0,5 – 0,8 % аралығында болады. Шойындағы күкірт алдын ала беріледі, ал содан кейін нақты есептеледі.
19. Одан ары флюстегі ұшатын заттардың үлесі – I_Ф; кокстағы күлдің мөлшері – А, %; отындық қоспадағы (мазут, көмір шаңы) күлдің мөлшері – А_Т, %; кокстағы ұшатын заттардың құрамы – I_К, %; кокстағы ұшатын заттардың меншікті салмағы – g _ЛК; отындық қоспалардағы сутегінің массалық мөлшері – Н, %; шихтадағы гидратты ылғалдың мөлшері – Н₂О_Х, %; шихтадағы гигроскопиялық ылғалдың мөлшері – W, %; алғашқы материалдардың құрамы бойынша қабылдануы мүмкін. Одан ары g_ГИД, g_ББ, g_ГШ –балқытуға жіберілетін темір кендік материалдардың сәйкесінше гидратты ылғалы, гигроскопиялық ылғалының үлесі және жоғарғы температурасы; U – домналық пешке тікелей тиелетін шикі флюстің меншікті шығыны, кг/кг шойын; l’_S – домна пешінен күкірттің ұшу дәрежесі шихтаның нақты құрамы бойынша есептеп шығарылады.

Шихтаның компоненттерін жинақтау 

5.2 кестеде шихта компонентерінің максималды ықтимал саны және пайдаланылатын технологиялық көрсеткіштер қарастырылған. Курстық жұмыстар мен жобаларды орындау үшін көрсетілген шикізат пен отын арасынан шихта компонентерін таңдаумен ғана шектелуге болады.  Егер химиялық құрам ыерекше жаңа компонентер базасында шихтаны және процесстің жобалық көрсеткіштерін есептеу қажет болатын жағдай туындаса, осы мәндерді 5.2 кестенің сәйкес қатарына енгізу керек. Алғашқы шикізат – дайындалған агломерат, жентек, домналық кесек болуы мүмкін.

Бұл жағдайда таңдалған компонент 6-8 қатардың бірінен алынады. Компоненттердің берілген химиялық сараптамасы элементтердің немесе тотықтардың сәйкес бағанына жазылуы керек.

Концентрат, ұсақ кен немесе басқа да алғашқы шикізат домналық пешке тиелгенге дейін кесектеу процессінде өткізілуі тиіс – оның ішінде агломерация. Сондықтан компоненттердің таңдалған саны 2-5 қатарға жазылу қажет. Компоненттердің саны, олардың сапасы анықталып және сәйкес қатарға мәндері жазылғаннан кейін, олардың қатынастарын 22 баған бойынша орнықтыру керек, яғни шихтаның кендік бөлігінің компоненттінің таңдалған саны белгілі массалық үлес бойынша 22 бағанға жазылады. Компоненттердің жалпы саны бірге тең болуы керек, яғни Σg_i= 1. Бұл мәнге кокс пен флюс кірмейді. Шихтаның кендік бөлігінің компоненттердің алынған саны екі бөліктен тұруы мүмкін: 1) алдын-ала агломерация процессінде өңделген; 2) пешке тікелей тиеуге дайындалған.

11 және 12 қатарларда көрсетілген көрсеткіштер А массивінің қосымшасында көрсетілген [11 нег. 332-334]. Сонымен қатар, бұған А массив қосымшасында жобаланып отырған пештің жұмысының алғашқы көрсеткіштері мен өлшемдерін есептеуге арналған алғашқы нәтижелер көрсетілген.

10 қатарда – кокс, жеке бағандар – 5, 7, 8, 19, 22 – ұшқыш кокстарды сипаттауға арналған  %, кокс массасы бойынша және олар толық түрде қосымшаларда көрсетілген [11 нег.].

Келесі шешімдерде қателіктерді болдырмау үшін 1 және 10 қатар бойынша барлық шихта компоненттерін 100 %-тік химиялық құрамға тексеру қажет.

Шихта компоненттерінің құрамын тексеру

Әрбір шихта компоненттерінде кездесетін барлық химиялық заттардың проценттік қосындысы 100 % тең болуы қажет. Кестеде кездесетін кейбір заттар қосылыстар емес бөлініп алынатын металдар болып табылады. Мысалы, Fe_ЖАЛП, Мn_ЖАЛП, Р негізінде Fe₂O₃, FeO, МnО₂, МnО және Р₂О₅ түрінде болады. Сондықтан да қатарда қарапайым түрде орналастырылған заттар 100%-тік нәтиже бермейді. Жеке заттар сәйкес коэффициенттерге көбейтілуі керек. Компоненттердің химиялық құрамын тексеру үшін домналық шихтада кездесуі неғұрлым ықтимал химиялық заттар ескерілген жүз пайыздық бір формула алынған. Формула келесі түрде жазылады:

СП = C+l,4286Fe – 0,4286Fe_MET – + 1,58Мn – 0,225MnO +

+ S(2,5 -1,5h_S) + СО₂ + Н₂О_Х  + 2,3Р + SiO₂ + Al₂O₃ + СаО + MgO +

+  ВаО + l,27Ni + 1,78V + l,66Ti + l,46Cr + l,25Cu + l,07Pb                   (5.2)

1 нег. [б. 105-114], 11 нег. [б. 98-108].

Бақылау сұрақтары:

1. 1000 – 1200 ⁰С зонасына дейін түсіргенде шихтаның құрамы қалай өзгереді?
2. 1000 – 1100 ⁰С зонасына Fe_MET – FeO қатынасы қалай өзгереді?
3. Фаялиттің түзілуі.
4. Біріншілік шлактың түзілуі, оның ерекшеліктері.
5. Екіншілік шлактың түзілуі.