Заплечики доменной печи

Привет студент

Первобытный способ получения железа заключался в нагреве легковосстановимой руды на древесном угле в открытых горнах. Кислород, связанный с железом, соединялся с углеродом топлива, спекшаяся железная масса опускалась на дно горна и, взятая оттуда, освобождалась путем быстрой проковки от задержавшихся в ней шлаков. Ком извлекаемого из горна железа носил название крицы, а самый способ назывался сыродутным или кричным.

Впоследствии сыродутный способ был усовершенствован введением сначала ручного и затем механического дутья. Таким образом железо вырабатывалось до конца средних веков.

Стремление к более полной утилизации тепла повело к устройству закрытых горнов, а стремление к усилению тяги — к увеличению высоты трубы над горном.

Таким образом, горн постепенно начал принимать вид доменной печи. В самом процессе получения железа также начали возникать изменения: под влиянием высоких температур закрытого горна все чаще и чаще наблюдались случаи расплавления крицы, и на дне горна вместо кома железа получалась масса расплавленного чугуна.

Так постепенно сыродутный способ начал переходить в современный доменный.

Так как по мере увеличения температуры печей случаи расплавления крицы учащались, то начали пытаться отливать расплавленную крицу в простую форму и подвергать ее обработке под молотом. Эти попытки были неудачны: чугун и в холодном, и в нагретом состоянии разрушался под молотом.

Впоследствии были найдены способы переработки чугуна в железо, и доменный процесс производства чугуна получил широкое распространение.

Устройство доменной печи. На фиг. 1 представлена схема устройства доменной печи. В шахте 2 печи происходит процесс восстановления железа, в распаре 3 и заплечиках 4 восстановленное железо и пустая порода расплавляются, в горне 5 происходит накопление чугуна и шлаков. Часть железа восстанавливается твердым углеродом в нижних зонах печи.

На фиг. 2 представлен несколько упрощенный вертикальный разрез доменной печи. Надписи на чертеже вполне объясняют его.

Различают полную и полезную высоту печи. Полной высотой печи называют расстояние от пода печи до верха кладки, полезной — расстояние от лещади (пода) до уровня засыпи.

Размер полезной высоты зависит от прочности применяемого горючего: чем прочнее горючее, тем больше может быть полезная высота печи.

Рыхлое топливо под тяжестью вышележащих слоев шихты превращается в мелочь и вследствие этого оказывает большое сопротивление проходу газов; это обстоятельство заставляет при рыхлом топливе уменьшать высоту печи. Поэтому печи, работающие на коксе, всегда выше печей, работающих на древесном угле.

Основным размером доменной печи является полная высота. По полной высоте печи определяют диаметр распара; для печей, работающих на коксе, он обычно равен 0,25 высоты, По диаметру распара определяют диаметры колошника и горна.

Если через D обозначим диаметр распара, через d — диаметр горна и через d, — диаметр колошника, то


Высота доменных печей, работающих на коксе, доходит в настоящее время до 35 м.

Футеровку доменной печи делают из огнеупорного кирпича. Кожух печи делают из котельного железа толщиной 15—20 мм. Шахта печи стоит на опорном кольце и опирается на колонны, другая часть — горн и заплечики опираются непосредственно на фундамент. Охлаждение нижней части шахты, горна и заплечиков производят при помощи холодильников с толстыми трубками, по которым циркулирует вода.

На фиг. 3 представлен (схематически) разрез горна и заплечиков. Лещадь (под) печи выложена из кирпичей, имеющих сужение кверху; это сужение имеет целью устранить возможность всплывания кирпичей в расплавленном чугуне; толщина кладки подины достигает 2,5 м.

Летка для выпуска чугуна имеет обычно прямоугольное сечение шириной 200—250 мм и высотой 400—500 мм; летку забивают глиной, в которой при выпуске чугуна пробивают отверстие диаметром 50—60 мм.

Шахта опирается на колонны. Как горн, так и заплечики охлаждают, как было указано ранее, холодильниками.

На фиг. 4 представлено устройство фурменного прибора. Фурма 1 укреплена в бронзовой коробке 2. В чугунной коробке 3 залита спиральная трубка 4Г по которой циркулирует охлаждающая вода. По трубке 5 охлаждающая вода подводится к фурме и бронзовой коробке; через сопло 6 воздух подводится к фурме; кольцевая труба 7 подводит воздух (труба выложена внутри огнеупорным материалом); чугунный рукав 8 подводит воздух к соплу; рукав имеет внутри огнеупорную футеровку.

Количество фурм в больших печах достигает 17, диаметр отверстия фурмы составляет 150—200 мм. Материалом для фурм служит обычно медь.

На фиг. 5 показана схема современного устройства двойного колошникового затвора. Сырые материалы загружают в воронку 1 при опускании конуса 2 они попадают на большой конус 4. Когда на большом конусе будет загружена вся руда или кокс, большой конус опускается и материалы загружаются в печь.

Материалы подаются на верх печи ка колошниковую площадку по наклонному рельсовому пути в специальных опрокидывающихся вагончиках — скиповых тележках.

Для правильного распределения шихты по сечению печи малая воронка 1 поворачивается после загрузки каждой скиповой тележки на 60°.

Конус 2 поднимается и закрывает воронку1 конус 4 опускается, и сырые материалы загружаются в печь; после этого конус 4 поднимается и разобщает воронку 3 с шахтой.

Конус 4 привешен на цельной железной штанге, конус 2—на полой штанге, через которую проходит штанга конуса 4.

На фиг. 6 показано общее устройство доменной печи и воздухонагревателя — каупера для подогрева поступающего в печь воздуха.

Доменный процесс. Загруженные в печь сырые материалы попадают в верхнюю зону шахты. Здесь происходит их сушка и нагрев приблизительно до 200°; на фиг. 7 эта зона обозначена буквой а.

Опускаясь вниз и нагреваясь до 350—450°, руда теряет химически связанную с ней влагу. Эта зона обозначена на фиг. 7 буквой б.

Загруженное в доменную печь топливо, опускаясь вниз, постепенно нагревается и поступает в раскаленном состоянии в горн, где сгорает за счет кислорода воздуха, нагретого до 500—850°, подаваемого в домну через фурмы под давлением— 1,5—1,8 am. Углерод топлива энергично сгорает против фурм, образуя углекислый газ СО2, который затем восстанавливается и образует окись углерода СО по реакции

Полученная окись углерода СО является восстановителем, т. е. веществом, которое отнимает кислород от окислов.

Опускаясь, руда продолжает нагреваться потоком восходящих газов и восстанавливается. При этом протекают следующие реакции:

Таким образом, реакции восстановления протекают без затраты тепла. Этот процесс начинается при температурах, близких к 400°С, и заканчивается приблизительно при 900°. При температурах выше 950—1000° С закись железа восстанавливается твердым углеродом по реакциям

На фиг. 7 зона, где протекает этот процесс, обозначена буквами в и г.

Образовавшийся при восстановлении железа углекислый газ С03, поднимаясь в верхние зоны доменной печи, при температуре выше 900° встречает раскаленный углерод и вновь превращается в окись углерода СО по уравнению

Восстановителем окислов железа в доменной печи, кроме окиси углерода, является и твердый химически чистый углерод, который образуется в шахте доменной печи вследствие распада окиси углерода при 400—600° по уравнению

Это распадение окиси углерода на углекислый газ и углерод происходит в присутствии руды. Получающийся в виде тонкой сажи углерод осаждается на поверхности кусков руды, проникает через поры внутрь них, растворяется в восстановленном уже железе и при температуре выше 1000° восстанавливает остающуюся еще не восстановленной закись железа. При доменном процессе восстановленное и расплавленное железо обычно содержит до 3,5—4,0% общего углерода, но в некоторых специальных чугунах количество углерода может доходить до 6% (в зависимости от содержания Si, Mn, Cr, S и Р).

Железо, содержащее свыше 2% углерода, называется чугуном; следовательно, в результате доменного процесса восстановленное железо переходит в чугун.

Одновременно с плавлением железа и переходом его в чугун происходит воздействие углерода на находящиеся в руде Мn и Si. Марганец может находиться в руде в виде окислов МnО2, Мn2О3, Мn3О4 и МnО; его восстановление происходит в результате реакций:

Дальнейшее восстановление Мn идет под действием твердого углерода по уравнению

Кремний восстанавливается по уравнению

Эта реакция протекает при температуре около 1450°; поэтому для получения высококремнистого чугуна необходимо обеспечивать более высокую температуру в печи, чем при выплавке передельного чугуна.

Восстановленные Мn и Si растворяются в расплавленном чугуне.

Наряду с процессом восстановления железа при 600—900° происходит разложение известняка, вводимого в качестве флюса, на окись кальция и углекислый газ. Этот процесс может быть выражен уравнением

Пустая порода руды сплавляется с окисью кальция флюса, образуя шлак, который периодически выпускают из печи.

В горне печи шлак растворяет золу кокса и, соприкасаясь с чугуном, поглощает из него серу. Реакция поглощения шлаком серы может быть выражена уравнением FeS (сернистое железо)+CaO = CaS (сернистый кальций) + FeO.

Соединение CaS нерастворимо в чугуне, а соединение FeS хорошо растворяется в чугуне.

Процесс освобождения чугуна от серы протекает тем лучше, чем выше температура горна. Вместе с тем с повышением температуры в горне и заплечиках (зона д) увеличивается и восстановимость кремния и марганца

Так как увеличение содержания в чугуне кремния способствует при осты-зании выделению части углерода в виде графита, то серые (графитистые) чугуны можно получать при горячем ходе печи. Фосфор всегда восстанавливается в доменном процессе в результате реакции

Фосфор в условиях доменной плавки почти полностью переходит в чугун.

На фиг. 8 дана кривая, показывающая приблизительную величину температуры в различных зонах доменной печи при нормальном ходе процесса. Кривая показывает, что в области шахты повышение средних температур (от колошника к распару) происходит сравнительно медленно, быстрый рост температур начинается с распара.

Высокие температуры в верхних зонах печи нежелательны, так как, если температура в верхних зонах доменной печи будет слишком высока, плавление руды может начаться прежде полного восстановления железа из окислов, и невосстановленные окислы железа могут вступить в химическое соединение с кремнеземом руды. В результате такого процесса образуются жидкоплавкие силикаты, стекающие вниз в виде шлака черного цвета. Для восстановления железа из его силикатов требуется создать особые условия работы печи, а именно: повысить температуру дутья или увеличить расход горючего. Для избежания возможности перехода железа в шлак необходимо стремиться к тому, чтобы на большей части высоты печи держалась умеренная температура и чтобы переход от умеренных температур к высоким происходил как можно быстрее; при таких условиях железо до плавления успеет полностью восстановиться, а пустая порода будет своевременно расплавлена.

Горячее дутье и его влияние ка ход доменного процесса. Тепло, выделяемое сгорающим в доменной печи топливом, расходуется не только на плавление шихты, но и на нагрев воздуха, вводимого в доменную печь. При холодном дутье повышение температуры в горне может быть достигнуто лишь увеличением

количества сжигаемого топлива при соответственном увеличении количества вдуваемого воздуха. В результате увеличивается количество получающихся при сгорании углерода горячих газов, которые, поднимаясь вверх, повышают температуру вышележащих зон печи.

В целях экономии топлива и получения более высоких температур в зоне горна и заплечиков прибегают к подогреву дутья до 500—850°.

Горячее дутье введено в доменный процесс в 1820 г.; вдуваемый в домну воздух подогревали в чугунных трубах, проходивших через топки, в которых сжигался каменный уголь. Несмотря на большой расход топлива на подогрев воздуха, доменный процесс в целом стал требовать меньше горючего, чем при холодном дутье.

В 1832 г. для подогрева воздуха начали применять доменный газ (как топливо), используя таким образом теплотворную способность входящих в состав этих газов окиси углерода и водорода.

С 1857 г. для подогрева вдуваемого в доменные печи воздуха начали применять воздухоподогреватели с кирпичной насадкой.

Схема устройства воздухоподогревателя представлена на фиг. 9. Сжигаемый воздухоподогревателем газ впускают через отверстие 1, а через отверстие 2 впускают воздух; отверстие 3 служит для выхода продуктов сгорания; отверстие 4 — для впуска холодного воздуха, а отверстие 5 — для выхода подогретого воздуха.

Во время нагрева воздухоподогревателя (каупера) отверстия 5 и 4 остаются закрытыми; газ подводится к отверстию 1, смешивается с воздухом и сгорает: продукты сгорания поднимаются по широкому каналу, опускаются но мелким выложенным огнеупорным кирпичом каналам насадки и уходят через отверстие 3 в дымоход.

Когда кирпичная насадка воздухоподогревателя нагрета до 800—1000°, впуск доменного газа прекращается; отверстия 1,2 и 3 закрывают, открывают отверстия 4 и 5. Через отверстие 4 поступает воздух, который, проходя через каналы, нагревается до 500—850° и через отверстие 5 направляется к фурмам доменной печи.

Для нормальной работы доменной печи необходимо иметь три одновременно действующих воздухоподогревателя. Переключение воздухоподогревателей производится примерно через час. Высота воздухоподогревателей доходит до 40 м, диаметр — до 8 м.

В настоящее время имеется тенденция к применению дутья, обогащенного кислородом. Применение обогащенного кислородом дутья повышает производительность домны, уменьшает расход топлива на единицу веса выплавляемого чугуна, уменьшает количество азота в доменных газах и, как следствие, повышает их теплотворную способность, допускает применение низкосортного топлива и облегчает выплавку высококремнистых и высокомарганцевых чугунов.

Продукты доменного производства. Продуктами доменного производства являются чугун, шлак и доменный газ.

Чугун. Основным продуктом доменного производства является чугун. Различают следующие сорта чугуна.

1. Литейный, идущий на чугунные отливки после переплавки его в вагранках. Литейный чугун серого цвета и мягок. Углерод, входящий в состав этого чугуна, находится преимущественно в свободном состоянии — в виде графита.

Так как примесь кремния к чугуну способствует выделению углерода в виде графита, то для получения литейного чугуна содержание кремния в нем должно быть от 1,25 до 4,25%, а количество марганца, препятствующего выделению углерода в форме графита, допускается обычно не более 1,30%. Для получения кремнистого чугуна необходимо вести процесс выплавки при горячем ходе печи.

2. Передельный чугун, идущий на переработку в сталь.

а) Мартеновский чугун, служащий для получения стали в пламенных регенераторных печах, содержит от 1,5 до 3,51% марганца и от 0,30 до 1,5% кремния; получается он при среднегорячем ходе печи.

б) Бессемеровский чугун, идущий на изготовление стали в конвертерах, содержит кремния от 0,9 до 2,0% и марганца от 0,6 до 1,5%; получается он при горячем ходе печи.

в) Томасовский чугун, идущий на переплавку в сталь в томасовских конвертерах; основной примесью в нем является фосфор — до 2,0%; марганца не более 1,3%; кремния около 0,5%.

3. Специальные чугуны (предназначаются для раскисления стали).

Из всех сортов чугуна наиболее дорогими являются специальные чугуны, так как получение их требует наибольшего расхода горючего.

Химический состав чугунов приведен в табл. 1

Шлак. Доменный шлак представляет собой сплав пустой породы с флюсом и золой кокса.

По составу шлаки разделяют на кислые и основные; первые содержат больше кремнезема и меньше извести, чем вторые.

Основные шлаки применяют в цементном производстве и при изготовлении кирпича.

Для приготовления цемента измельченный шлак смешивают с известью, спрессовывают в кирпичи, обжигают и затем тонко измельчают; полученная таким образом порошкообразная масса является готовым цементом.

Для производства кирпичей тонко измельченный шлак смешивают с известковым молоком. Из полученного теста формуют кирпичи; сформованный кирпич окончательно затвердевает на воздухе и идет в употребление без обжига.

Доменный газ. В состав доменного газа входит 8 — 16% СО2; 26 — 32% СО; 0,1 — 4,5% Н2; 0,2 — 0,4% СН4 и 56 — 63% N.

В связи с большим количеством входящих в состав доменного газа горючих веществ колошниковые газы применяют на металлургических заводах в качестве топлива.

Так как газы, выходящие из доменных печей, увлекают за собой частицы пыли, то перед использованием их в качестве горючего их подвергают очистке. Использование неочищенного доменного газа в воздухоподогревателях ведет к быстрому зарастанию ячеек и снижению к. п. д. воздухоподогревателей. Использование неочищенных доменных газов в двигателях внутреннего сгорания совершенно нецелесообразно, так как ведет к быстрой порче двигателей.

Материальный и тепловой баланс доменной печи. В табл. 2 и 3 приводятся примеры материального баланса доменной печи на 1000 кг литейного чугуна и теплового баланса на 1 кг литейного чугуна.

Работа доменной печи. Выстроенная вновь или подвергнутая капитальному ремонту доменная печь должна быть тщательно высушена. Для этого на лещади устанавливают временные колосники, на которых сжигают дрова или каменный уголь.


После сушки доменную печь начинают загружать топливом, к которому прибавляют постепенно увеличивающиеся порции руды и флюса, доводя таким образом до нормального содержание руды в загрузке.

Смесь сырых материалов, загружаемых в домну, состоящая из руды, флюсов и топлива, носит название шихты. Шихту загружают порциями, называемыми колошами.

Обычно производимая механически загрузка состоит из следующих операций:

1) загрузки вагонеток — скипов сырыми материалами;

2) подъема скипов на колошник домны;

3) опрокидывания скипов в загрузочную воронку;

4) опускания и подъема конусов.

Наклонный подъемник для подачи скипов на колошник домны виден на фиг. 6 справа.

Для правильного ведения доменного процесса необходимо постоянное наблюдение за работой домны, которое в настоящее время осуществляется посредством соответствующих приборов. Наблюдению подвергают температуру

в различных поясах доменной печи, состав и количество доменного газа, объем и температуру дутья. Одновременно ведут весовой учет сырых материалов, а также учет количества получаемого чугуна.

Выпуск шлака и чугуна производят по мере их накопления. Чугун выпускают обычно через 4—5 час., шлак — через 1 — 1,5 час. (в зависимости от качества руды).

Шлак выпускают или в ковш, в котором его отвозят в отвал, или же из ковша заливается в бассейн с водой, где шлак гранулируется.

Чугун из ковша разливают в непрерывно движущиеся формы. Движение форм может происходить по принципу конвейера.

Залитый в формы чугун охлаждается, формы опрокидываются, и чугун попадает непосредственно в вагоны. Все эти операции механизированы и автоматизированы.

На фиг. 10 представлена схема устройства разливочной машины: из ковша 1 жидкий чугун заливают в движущиеся на транспортере формы 2. У конца 3 транспортера остывший чугун выпадает из форм непосредственно в вагон 4.

Формы перед заливкой чугуна обрызгивают известковым молоком; вода, испаряясь, охлаждает формы, а оставшаяся на внутренней части известь предохраняет от прилипания к форме расплавленного чугуна.

Для хранения поступающего из домны жидкого чугуна, предназначенного к переделу в сталь, его сливают в ковши большой емкости, называемые смесителями — миксерами. На фиг. 11 показан миксер цилиндрической формы. Из ковша 1 чугун поступает в миксер 2, который поворачивают при помощи гидравлического цилиндра 3. Ковш 4 принимает чугун из миксера. Миксер делают из клепаного железа и футеруют огнеупорным материалом. Емкость миксеров достигает 2000 т. В миксерах большой емкости чугун остывает весьма медленно. Для поддержания чугуна в жидком состоянии миксеры иногда подогревают с помощью доменного газа или газа коксовальных печей.

При хранении в миксерах чугун, выпускаемый из доменных печей в разное время, смешивается. Так как химический состав чугуна, выпускаемого из домны в разное время, не всегда одинаков, чугун постоянного состава получают выдерживая его в миксерах. Это очень важно для облегчения процессов передела чугуна в сталь. Кроме того, при наличии в чугуне некоторого количества марганца чугун во время длительной выдержки в миксерах теряет часть серы, что улучшает его качество. Марганец, вступая в реакцию с серой, образует сернистый марганец MnS, который вследствие плохой растворимости в жидком чугуне уходит в шлак. Производительность современной доменной печи достигает 1500 т и более в сутки. Время пребывания шихты в печи или переработки сырья в чугун колеблется в пределах от 6 до 10 час.

Коэфициент использования объема доменной печи. Работу доменной печи как со стороны технической, так и экономической можно в целом охарактеризовать коэфициентом использования объема. Коэфициентом использования объема называют величину полезного объема печи в м6, приходящегося на 1 т суточной производительности домны.

В настоящее время коэфициент использования достигает приблизительно 0,65.

Коэфициенты использования являются характерными для данной домны лишь при условии равенства технико-экономических показателей, если не учитывать размеры домны, Некоторые средние экономические показатели для доменных печей разного объема, находящихся в одинаковых условиях, приведены в табл. 4. Из данных этой таблицы видно, что экономически выгодно строить доменные печи больших размеров.

Приведенные данные объясняют, почему наша металлургия стала на путь строительства крупных доменных печей.

Доменное производство чугуна в России всегда стояло на большой высоте. В XVIII в. сибирские домны были самыми большими и лучшими в Европе. На исходе XVIII в. России принадлежали мировые рекорды не только по размерам, выработки, но и по экономическим показателям.

5. Шлакообразование

Доменный шлак является жидким расплавом невосстановленных окислов, которые вносятся шихтой (в основном пустыми породами сырых материалов) и золой кокса.

Пустая порода руды и зола кокса состоят главным образом из кремнезема (Si02), глинозема (Аl2O3), извести (СаО) и магнезии (MgO). Эти примеси нужно в процессе выплавки чугуна отделить от металла и удалить в расплавленном состоянии из горна в виде шлака. Но они имеют весьма высокие температуры плавления: кремнезем 1713°С, глинозем 2050°С, известь 2370°С, магнезия 2850°С. Между тем в доменной печи только в горне (в зонах горения кокса) температура достигает 1800 — 1900°С, на остальных горизонтах она ниже.

Для того чтобы в доменной печи образовывался жидкий шлак, к шихте добавляют флюс. В настоящее время основной флюс в виде известняка и извести вводится в агломерационную шихту, и получают офлюсованный агломерат.

Процесс шлакообразования заключается в получении из невосстановленных окислов легкоплавких соединений, температура плавления которых значительно ниже (на сотни градусов) температуры плавления каждого входящего в состав соединения окисла в отдельности.

Шлаки, образующиеся в верхних горизонтах печи, называются первичными, а шлаки, удаляемые через чугунную и шлаковую летки, — конечными. В результате происходящих физико-химических процессов конечный шлак очень сильно отличается по составу от первичного.

Содержание закиси железа в первичных шлаках может достигать 25 — 30% и закиси марганца 5 — 10%, а суммарное содержание этих окислов в шлаках конечного состава при выплавке предельного и литейного чугунов не превышает 1 — 3%.

Перед тем, как начинает образовываться шлак, процессы восстановления получают достаточное развитие. Известняк печи полностью разлагается при температурах 1000°С, а при температуре около 900°С начинается шлакообразование и плавление. В области этих температур FeO может соединяться с SiO2 и образовывать силикаты железа. По мере опускания шихтовых материалов при температуре около 1100°С количество свободной извести уменьшается, так как она начинает соединяться с SiO2. При температурах выше 1300°С почти вся известь соединяется с кремнекислотой.

Образованию шлака предшествует спекание и размягчение плавильных материалов. Спекшиеся еще твердые массы по мере опускания в зоны более высоких температур нагреваются движущимися газами, начинают размягчаться, а затем плавиться. Размягчение материалов (спекшихся масс) происходит различно. В одном случае происходит размягчение отдельных частиц полностью, в другом происходит оплавление отдельных кусков, сопровождающееся деформацией их и потерей первоначальной прочности. Строго разграничить зоны спекания, размягчения и плавления нельзя, так как эти процессы зависят от многих условий, например от качества проплавляемых материалов, теплового состояния печи, вида выплавляемого чугуна и т. д. Если взять несколько однородных материалов, то их спекание и размягчение будет проходить на разных горизонтах (в зависимости от положения по сечению печи). Там, где газ движется более интенсивно, размягчение начнется раньше. Применение офлюсованного агломерата, в состав которого входят все компоненты, образующие первичный шлак (за исключением золы кокса), делает последний более равномерным.

Первичный шлак может быть сильно- и малоподвижным. Опускается вниз он одновременно с общей массой плавильных материалов или независимо от нее. В это время состав первичного шлака меняется до конечного. При опускании шлак сильно разогревается; в нем уменьшается содержание закиси желза в результате восстановления твердым углеродом. Шлаки по преимущественному содержанию окислов подразделяют на кислые, основные, глиноземистые, магнезиальные, марганцовистые. Такое условное подразделение шлаков зависит от условий выплавки чугуна. На Востоке вследствие содержания в пустых породах большого количества глинозема и низкого содержания серы в коксе шлаки поддерживают более кислыми с повышенным содержанием Аl2O3. На Юге чугун выплавляют при более основных шлаках, так как пустая порода железных руд является преимущественно кислой, а кокс — высокосернистым. Магнезиальные шлаки имеют место и на Юге и на Востоке. Для этого в шихту дополнительно вводят доломитизированный известняк или доломит, содержащие MgO. Шлаки, в которых находится более 3% магнезии, можно считать магнезиальными, а шлаки, в которых более 9% глинозема, обычно относят к глиноземистым.

Состав первичных, промежуточных и конечных шлаков и их количество тесно связаны с составом чугуна, движением книзу плавильных материалов, топливом, состоянием печи, что в значительной мере определяет производительность.

В отличие от газа, который транспортирует тепло вверх, шлак, плавясь и стекая, траспортирует тепло вниз. Чем выше нагревается шлак, тем больше тепла с ним поступит в горн.

Если шлак легкоплавкий, то он расплавится в верхних горизонтах печи и, стекая в горн, будет иметь низкую температуру. В том случае, когда температура плавления его более высокая, он плавится в более низких горизонтах печи и стекает в горн нагретым до более высоких температур.

Легкоплавкие шлаки обычно содержат больше закиси железа и марганца; поэтому они имеют больший удельный вес, вследствие чего быстрей стекают в горн, забирают больше тепла, необходимого для прямого восстановления закиси железа и марганца.

Не следует смешивать понятие о легкоплавкости шлака и текучести. Например, легкоплавкий шлак не всегда может быть жидкоподвижным и маловязким. Тугоплавкие шлаки при достаточном прогреве могут быть не вязкими, т. е. хорошо текучими шлаками.

Слишком вязкий шлак может ухудшить работу доменной печи. Медленно опускаясь, он будет задерживать движение шихты у стен, будет заполнять пустоты между кусками кокса, «склеивая» их между собой и препятствуя проходу газов. Чем больше вязкость шлака, тем больше нарушается работа доменной печи. Большое количество шлаков отрицательно сказывается на работе печи вследствие большего заполнения им пустот между кусками кокса, что затрудняет проход горновых газов кверху.

Таким образом, умеренное количество легкоплавких и хорошо подвижных шлаков благоприятствует равномерному сходу шихты, позволяет форсировать ход печи и получать чугуны с низким содержанием серы. Более тугоплавкие и менее подвижные шлаки препятствуют ускорению процессов, но способствуют получению хорошо нагретых чугунов.

Акад. М. А. Павлов указывает, что нормальными называются шлаки, которые обладают физическими свойствами и химическим составом, обеспечивающими получение чугуна требуемого состава при экономном расходе кокса.

Так как тепловое состояние печи тесно связано с тепловым состоянием шлаков, то принято плавкость шлаков характеризовать количеством тепла, необходимого для расплавления 1 кг шлака. На рис. 79 приведена тройная диаграмма теплот плавления системы SiO2 — Аl2O3 — СаО применительно к условиям доменной плавки. Поскольку, кроме этих компонентов, доменные шлаки содержат и другие, то этой диаграммой пользоваться нужно следующим образом. Допустим, необходимо определить по диаграмме теплоту плавления шлака состава: 35% SiO2, 7% Аl2O3, 48% СаО, 2% MgO, 0,5% FeO, 1,5% МnО, 6% CaS. Сумма всех составляющих равна 100%, а сумма SiO2, Аl2O3 и СаО — 90%. Принимаем содержание первых трех компонентов за 100%. Тогда



На диаграмме по сторонам отложены процентные содержания каждого из компонентов. Отыскиваем горизонтальную линию, соответствующую этому содержанию кремнекислоты, т. е. 39,0%. Затем находим линию, показывающую содержание глинозема 7,8%, и линию, указывающую на содержание СаО. На пересечении этих линий находим величину теплоты плавления принятого шлака. К какой кривой ближе будет расположена точка пересечения, такой и будет теплота плавления шлака. В данном случае она будет равна примерно 390 ккал (1632 кдж), так как расположена между линиями, соответствующими 380 (1589) и 400 ккал (1674 кдж).


Рис. 79. Тройная диаграмма теплот плавления

На рис. 80 приведена диаграмма вязкости шлака при температурах плавления 1400 и 1500°С.


Рис. 80. Тройная диаграмма вязкости шлаков при температуре: а — 1500°С; б — 1400°С

Шлаки не имеют определенной температуры плавления. Переход от твердого состояния к жидкому происходит в определенном интервале температур. Для успешного хода доменной плавки шлак должен обладать хорошей подвижностью при температурах от 1400 до 1500° С. Вязкость шлака зависит от содержания в нем извести и кремнезема, поэтому отношение или является важной характеристикой шлака, которая называется степенью основности.

Шлаки, содержащие большое количество извести, застывают быстро и имеют камневидный излом. Если количество глинозема и кремнезема превышает количество извести, то такие шлаки застывают медленно и имеют стекловидный излом.

Шлаки, сохраняющие в большом интервале температур подвижность при изменении состава, называются устойчивыми. Магнезия при содержании ее в шлаке 4 — 8% сообщает шлаку устойчивость, хорошую текучесть и поэтому желательна. Глинозем также сообщает устойчивость шлаку, но в меньшей степени и при большем его содержании (10 — 15%).

Окислы железа придают шлаку бурый цвет, окислы марганца — зеленый. Таким образом, по цвету и излому шлака можно судить о степени его нагрева и о работе печи. Чем более прогрет шлак, тем горячее работает печь, окислы железа и марганца восстанавливаются в достаточной степени и шлак будет светлым. При холодном ходе печи восстановление железа и марганца ухудшается, шлак содержит большее количество их окислов и имеет темный цвет.

Получение малосернистого чугуна возможно только в том случае, когда будет создан соответствующий технологический режим, заключающийся в подборе шлака необходимого состава и соблюдении требуемого теплового режима. Поэтому основной мерой борьбы с серой в доменной печи является максимальное удаление ее со шлаками.

Степень перехода серы в шлак зависит от его температуры (нагрева) и химического состава. Чем лучше нагрет шлак, тем лучше поглощает он серу. Успешному переходу серы в шлак способствует также хороший контакт между чугуном и шлаком. Содержание в шлаках различной основности до 6% MgO улучшает обессеривание, причем для основных шлаков в большей мере, чем для кислых. Влияние магнезии на обессеривающую способность шлаков объясняется тем, что она разжижает шлак, что улучшает контакт стекающих капель шлака и чугуна.

Шлаки, быстро густеющие при небольшом понижении температуры, в случае общего похолодания печи быстро загромождают горн, что часто приводит к серьезному расстройству хода печи с тяжелыми последствиями, вызывающими массовое горение воздушных фурм, амбразур и шлаковых приборов. Из сказанного можно сделать вывод, что шлаковый режим во многом определяет нормальный ход доменной плавки.

По низкой цене фартук шоколад на нашем сайте aspektsnab.ru. .

Топливо для доменных печей

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

  • тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;
  • химическую, являясь основным химическим реагентом-восстановителем оксидов железа и других элементов;
  • физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым, кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа и расплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

  • высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;
  • достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;
  • неспекаемость в условиях доменного процесса;
  • достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

Древесный уголь

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии.

Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 – 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 – 70 штук.

Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках.

Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 – 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 – 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие – продукты сгорания.

Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами.

В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 – 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива.

В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Флюсы

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450 – 1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать значительно выше температуры плавления. Однако, при определенном соотношении оксидов, входящих в состав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С.

Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы в шлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было равно от 2 до 4.

В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому, обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3 или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3.

В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получении окатышей).

Доменная печь: как появилась, схема, конструкция и компоненты, как работает

Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплоэнергетик

Наше время как только не называли: веком атома, космоса, пластиков, электроники, композитов и т.д., и т.п. На самом деле наш век пока все-таки железный – его сплавы все еще составляют ядро техники; остальное хоть и очень мощная, но периферия. Путь железа в конструкции, изделия и сооружения начинается выплавкой чугуна из руды в доменной печи.

Примечание: богатых железных руд, непосредственно после добычи пригодных на выплавку, в мире почти не осталось. Теперешние доменные печи работают на обогащенном агломерате и окатышах. Далее в тексте под рудой подразумевается именно такое сырье для черной металлургии.

Современная доменная печь (домна) – грандиозное сооружение высотой до 40 м, весом до 35 000 тонн и рабочим объемом до 5500 куб. м, выдающее за одну плавку до 6000 тонн чугуна. Обеспечивает работу домны сонм систем и агрегатов, занимающих площадь в десятки и сотни га. Все это хозяйство выглядит внушительно и в останове при потушенной домне в пасмурный день, а в работе просто феерически. Выпуск чугуна из домны также зрелище захватывающее, хотя в современных доменных печах он уже не походит на картину из дантова ада.

Гигантская доменная печь в останове и в работе

Выпуск чугуна из доменной печи

Основной принцип

Принцип работы домны заключается в непрерывности металлургического процесса на весь срок эксплуатации печи до очередного капремонта, который производится раз в 3-12 лет; общий срок службы домны может превышать 100 лет. Доменная печь шахтная: сверху в нее периодически погружают порциями (колошами) шихту из руды с известняковым флюсом и кокс, а снизу также периодически выпускают расплавленный чугун и сливают расплав шлака, т.е. столб исходных материалов в шахте домны постепенно оседает, превращаясь в чугун и шлак, а сверху его наращивают. Однако путь черной металлургии к этой вроде бы несложной схеме был долог и труден.

История

Железный век сменил бронзовый главным образом вследствие доступности сырья. Сырое железо много уступало бронзе во всем прочем, включая трудоемкость и себестоимость; последние, впрочем, во времена рабства мало кого волновали. Но болотную руду, представляющую собой почти чистую гидроокись железа, или богатую горную железную руду, в древности можно было найти повсюду, в отличие от месторождений меди и – особенно – олова, необходимых для получения бронзы.

Первое железо из минерального сырья было получено, судя по данным археологии, случайно, когда в медеплавильную печь загрузили не ту руду. При раскопках древнейших плавилен возле печей иногда находят явно выброшенные куски железной крицы (см. ниже). Дефицит сырья заставил приглядеться к ним получше, ну, а соображали древние в общем не хуже нас.

Вначале железо из руды получали т. наз. сыродутным способом в печи-домнице (не домне!). Восстановление Fe из окислов при этом происходило за счет углерода топлива (древесного угля). Температура в домнице не достигала точки плавления железа в 1535 градусов Цельсия, и в результате процесса восстановления в домнице утверждалась масса губчатого железа, перенасыщенного углеродом – крица. Чтобы извлечь крицу, домницу приходилось ломать, а затем уплотнять крицу и буквально выколачивать из нее избыточный углерод, долго, сильно и упорно проковывая тяжелым молотом. С тогдашней точки зрения, плюсами сыродутного процесса была возможность получать крицу в очень маленькой печи и высокое качество кричного железа: оно прочнее литого и плохо поддается ржавлению. Как получают железо сыродутным способом, см. видео ниже.

Видео: выплавление железа сыродутным способом

Китай первым, намного раньше остальных стран, перешел от рабства к феодализму. Рабский труд в производстве там перестал применяться и товарно-денежные отношения начали развиваться, еще когда на Западе прочно стоял Древний Рим. Сыродутный процесс сразу стал нерентабельным, но вернуться к бронзе уже нельзя было, ее просто не хватило бы. Роль флюса в облегчении выплавки из руды металла была известна еще в бронзовом веке, для плавки железа требовалось только усилить наддув, и китайцы путем проб и ошибок к IV в. н. э. научились строить доменные печи с наддувом мехами, приводимыми в движение водяным колесом, слева на рис.

Старинные доменные печи

К идентичной конструкции во второй половине XV в. пришли немцы, справа на рис. Вполне самостоятельно: историки прослеживают непрерывный ряд усовершенствований от домницы через штукофены и блауофены к домне. Главное, что внесли в черную металлургию немецкие металлурги – пережигание высококачественного каменного угля в кокс, что намного удешевило стоимость топлива для домны.

Страшным врагом первоначального доменного процесса было т. наз. закозление, когда вследствие нарушения режима дутья или недостатка углерода в шихте в печь «садился козел», т.е. шихта спекалась в сплошную массу. Чтобы извлечь козла, домну приходилось ломать. Показателен такой исторический пример.

Уральские заводчики Демидовы, как известно, славились своей жестокостью и бесчеловечным обращением с рабочими, тем более что тех много было «беспачпортных», беглых крепостных и дезертиров. «Работных» однажды совсем допекло, и они предъявили приказчику свои требования, надо сказать, довольно скромные. Тот их по демидовскому обычаю буквально послал по-русски. Тогда рабочие пригрозили: «А ну давай самого сюда, не то козла в печку посадим!» Приказчик вытянулся, побледнел, на лошадь и – галопом прочь. Не прошло часа (во времена гужевого транспорта – моментально), прискакал на взмыленном коне взмыленный «сам», и с ходу: «Братцы, да вы чего? Да я ж что, чего вам?» Рабочие повторили требования. Хозяин, образно выражаясь, присел, сказал «Ку!» и тут же велел приказчику выполнить все досконально.

До XIX в. домны были фактически сыродутными: в них вдувался неподогретый и не обогащенный кислородом атмосферный воздух. В 1829 г. англичанин Дж. Б. Нилсон попробовал подогреть вдуваемый воздух всего до 150 градусов (предварительно запатентовав свою воздухогрейку в 1828 г.) Расход дорогого кокса сразу упал на 36%. В 1857 г. тоже англичанин Э. А. Каупер (Cowper) придумал регенеративные воздухонагреватели, названные впоследствии в его честь кауперами. В кауперах воздух за счет дожигания отходящих доменных газов нагревался до 1100-1200 градусов. Расход кокса снизился еще в 1,3-1,4 раза и, что тоже очень важно, домна с кауперами оказалась не подверженной закозлению: при появлении его признаков, что случалось крайне редко при очень грубых нарушениях техпроцесса, всегда оставалось время раздуть печь. Кроме того, в кауперах за счет частичного распада паров воды забираемый воздух обогащался кислородом до 23-24% против 21% в атмосфере. В введением в схему домны кауперов процессы в доменной печи с точки зрения термохимии достигли совершенства.

Доменный газ сразу стал ценным вторичным сырьем; об экологии тогда не думали. Чтобы его не транжирить, вскоре домну дополнили колошниковым аппаратом (см. далее), позволявшим загружать шихту и кокс, не выпуская доменный газ в атмосферу. На этом эволюция доменной печи в принципе закончилась; дальнейшее ее развитие шло по пути важных, но частных усовершенствований, улучшения технико-экономических, а затем и экологических показателей.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Химические процессы и температура в разных зонах доменной печи

По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.

Примечание: время прохождения очередного колоша шихты в домне от верха шахты до расплава в горне составляет от 3-х до 20 и более суток в зависимости от размера доменной печи.

Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.

Конструкция домны

Конструкция доменной печи как сооружения дана на рис:

Конструкция доменной печи

Вся домна собирается в стальном футляре с толщиной стенок от 40 мм. В жароупорный пень домны (цоколь, оголовок, навершие подземного фундамента) замуровывается лещадь (под) цилиндрического горна. Футеровка горна достигает толщины 1,3-1,8 м и неоднородна: осевая зона лещади футеруется высокоглиноземистым кирпичом, плохо проводящим тепло, а бока – графитированными материалами, обладающими довольно высокой теплопроводностью. Так нужно, поскольку термохимия расплава в горне еще не «успокоилась» и там выделяется некоторый избыток тепла против потерь на остывание. Если его не отвести вбок, на жароустойчивый пень, строение доменной печи потребует очередного ремонта более высокого разряда (см. ниже).

Расширяющаяся вверх часть домны – заплечики – футеруется уже графитированными блоками толщиной ок. 800 мм; такой же толщины шамотная футеровка шахты. Шамот, как и футеровка горна с заплечиками, не смачивается расплавленным шлаком, но ближе к последнему по химическому составу. Т.е., домна в работе минимально обрастает нагаром и лучше держит внутренний профиль, что упрощает и удешевляет очередной ремонт.

Горн и заплечики работают в самых тяжелых условиях, лишние весовые нагрузки для них опасны, поэтому шахта домны опирается своими плечами (кольцеобразным выносом) на прочное стальное кольцо – маратор – покоящееся на стальных колоннах, замурованных в пень. Таким образом, весовые нагрузки горна с заплечиками и шахты передаются на основание домны раздельно. Горячий воздух из кауперов задувается в домну из кольцевого трубчатого коллектора с теплоизоляцией через специальные устройства – фурмы, см. далее. Фурм в домне бывает от 4-х до 36 (в доменных печах-гигантах на 8000-10 000 тонн шихты и 5-6 тыс. тонн чугуна в сутки).

Разряды ремонта

Текущее состояние доменной печи определяется по химическому составу чугуна и шлака. Если содержание примесей подходит к пределу, назначается ремонт домны 1-го разряда. Из горна выпускают расплавы, глушат кауперы (см. далее) и оставляют домну на малом дыхании, с температурой внутри горна 600-800 градусов. Ремонт 1-го разряда включает в себя визуальный осмотр, ревизию механического состояния, измерение показателей профиля печи и взятие проб футеровки для химического анализа. Когда-то домну на малом дыхании осматривали люди в специальных защитных костюмах с автономными дыхательными приборами, ныне это делается дистанционно. После ремонта 1-го разряда домну можно вновь запускать без розжига.

Результатом ремонта 1-го разряда чаще всего (если только не проморгали плохую руду, флюс и/или бракованный кокс) назначается ремонт 2-го разряда, в ходе которого подправляется футеровка. Ее частичная или полная перекладка, рихтовка или замена колошникового аппарата осуществляются в порядке ремонта 3-го разряда. Он, как правило, приурочивается к технической реконструкции предприятия, т.к. требует полного останова, остывания печи, а затем ее перезагрузки, розжига и перезапуска.

Системы и оборудование

Устройство доменной печи современного образца включает в себя десятки вспомогательных систем, управляемых мощными компьютерами. Металлурги наших дней по-прежнему носят каски с темными очками, но сидят в кабинах с кондиционером за пультом с дисплеями. Тем не менее, принципы работы основных систем и устройств, обеспечивающих работу доменной печи, остались прежними.

Кауперы

Воздухонагреватель Каупера (см. рис.) – устройство циклического действия. Вначале насадка-регенератор из теплоемкого жароустойчивого материала нагревается догорающими доменными газами. Когда температура насадки достигнет ок. 1200 градусов, каупер переключается на дутье: наружный воздух через него прогоняется в домну противотоком. Насадка остыла до 800-900 градусов – каупер переключают снова но прогрев.

Внешний вид и устройство кауперов доменной печи

Поскольку дуть в домну нужно непрерывно, кауперов при ней должно быть не менее 2-х, но строят их не менее 3-х, с запасом на аварию и ремонт. Для больших, сверхбольших и гигантских доменных печей строят батареи кауперов из 4-6 секций.

Колошниковый аппарат

Устройство колошникового аппарата доменной печи

Это самая ответственная часть домны, особенно в свете теперешних требований экологии. Устройство колошникового аппарата домны показано на рис. справа; он представляет собой 3 согласованно действующих газовых затвора. Цикл его работы такой:

  1. исходное состояние – верхний конус поднят, преграждает выход в атмосферу. Окна в днище вращающейся воронки приходятся на горизонтальную перегородку и перекрыты. Нижний конус опущен, дает выход доменным газам к дымососу и далее в циклон;
  2. скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;
  3. вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;
  4. вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);
  5. большой конус поднимается, отсекая доменные газы;
  6. малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;
  7. малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;
  8. большой конус опускается в исходное состояние, выпуская загрузку в шахту домны.

Таким образом, материалы в шахте печи ложатся слоями, выпуклыми книзу и вогнутыми сверху. Это совершенно необходимо для нормальной работы домны, поэтому нижний (большой) затвор всегда обратно-конический. Верхние могут быть иной конструкции.

Скип

Скип, с англ. – ковш, черпак, разинутая пасть. Колоша (с фр.) – горсть, ковш, черпак. Кстати, отсюда же и калоши. Доменные печи снабжаются преимущественно скиповыми подъемниками материалов. Скип домны (справа на рис.) зачерпывает из скиповой ямы калошу материала, поднимается специальным механизмом по наклонной эстакаде (слева на рис.), опрокидывается в колошниковый аппарат и возвращается обратно.

Скиповый подъемник материалов и скип доменной печи

Фурмы и летки

Устройство фурмы доменной печи показано слева на рис., чугунной летки в центре, а шлаковой справа:

Устройство фурмы и леток доменной печи

Сопло фурмы направлено в самое сердце доменного процесса; через него удобно зрительно контролировать его ход, для чего на воздуховоде фурмы устраивается гляделка с жаростойким стеклом. Давление воздуха на срезе сопла фурмы – 2-2,5 ати (2,1-2,625 МПа сверх атмосферного).Летки после выпуска расплава запечатываются комом жароустойчивой глины. Раньше по ним для этого стреляли пластичным глиняным ядром из специальной пушки. Ныне летки запечатываются дистанционно управляемой электрической пушкой (название – дань традиции), приближающейся к летку вплотную. Это намного уменьшило аварийность, травмоопасность и экологичность доменного процесса.

А своими руками?

Черная металлургия – высокорентабельный бизнес. Знаете ли вы, что «подъем» на ней в несколько раз выше, чем от добычи золота? Думаете, нефти и газа осталось мало? Нет, их при теперешних темпах потребления и полном пренебрежении экологией хватит еще на 120-150 лет. А вот железной руды осталось всего лет на 30. Так нельзя ли наладить металлургическое производство у себя на дворе?

Товарное с целью извлечения прибыли – никоим образом. Первое, о разрешениях забудьте и думать. Черная металлургия едва ли не главная угроза окружающей среде. ИП и физлица на нее нигде, никак и ни за какие взятки не лицензируются, а наказания за нарушения суровые.

Второе – сырье. Месторождений богатой руды, которую сразу можно грузить в домну, в мире осталось аж 2: в Австралии и Бразилии. Промышленные запасы болотной руды исчерпаны еще в древности, и для их восстановления нужны многие тысячи лет. Агломерата и окатышей в широкой продаже нет и не будет.

В общем, частная черная металлургия для рынка это сейчас абсолютно нереально. Попробуйте лучше печатать на 3D принтере. Перспективное дело, со временем 3D печать если не заменит металлургию полностью, то уж точно вытеснит ее в небольшие ниши, где без металла никак не обойтись. Для экологии это будет равнозначно сокращению потребления углеводородного топлива не менее чем в 7-9 раз.

Доменная печь: устройство и принцип работы

ОБЯЗАТЕЛЬНО СМОТРЕТЬ ВСЕМ!

В этой статье расскажу о самом главном элементе современного производства ферросплавов и чугуна, о доменной печи. Она является основным оборудование доменного цеха, поэтому думаю каждому интересно узнать о составляющих доменной печи и принципе действия.

В качестве сырья используется железная руда, а основным продуктом доменного производства является чугун, который нашел свое применение в различных сфера деятельности: автомобильное производства, изготовление сантехники, чугунной посуды и др.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

  • топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
  • железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
  • флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Составляющие доменной печи

Доменная печь представляет собой непрерывно работающий агрегат, состоящий из следующих зон:

  • Горячее дутьё.
  • Зона плавления (заплечики и горн).
  • Зона восстановления FeO (распар).
  • Зона восстановления Fe2O3 (шахта).
  • Зона предварительного нагрева (колошник).
  • Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.
  • Доменный газ.
  • Столб железорудных материалов, известняка и кокса.
  • Выпуск шлака.
  • Выпуск жидкого чугуна.
  • Сбор отходящих газов.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи.

Рабочее пространство печи включает:

  • колошник;
  • шахту;
  • распар;
  • заплечики;
  • горн.
  1. Колошник.

    Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между колошником и распаром называется шахтой.

    Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков. В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

  2. Шахта.

    На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов.

    Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

  3. Распар.

    Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

  4. Заплечики.

    Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

  5. Горн.

    Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера домны).

    В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы.

    Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии.

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

  • процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
  • восстановление железа и прочих элементов;
  • науглероживание железа;
  • металлоплавление;
  • возникновение и плавление шлака;
  • сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах.

Выделяют такие операции:

  • сгорание топлива;
  • восстановление железа;
  • разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
  • насыщение железа углеродом;
  • плавка металла;
  • плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

  • топливо – кокс;
  • железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
  • флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

  • чугун;
  • шлак;
  • доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

  • передельные идущие на передел в сталь;
  • литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
  • специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

Передельный чугун подразделяют на три вида:

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Фосфористые чугуны.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

  • труб;
  • радиаторов;
  • водопроводной арматуры;
  • станин;
  • блоков;
  • шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Специальные чугуны (ферросплавы).

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.

К ним относятся:

  • ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
  • ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
  • зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник.

Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.

Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Теплота сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3.

При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3.

Около 30—35 % колошникового газа используется в доменном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах.

Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту.

Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.