Физико-химические процессы в доменной печи

Содержание

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Домна, или доменная печь – это сложный комплекс технологического оборудования, используемый в металлургической промышленности для получения черного металла. Фактически, это большое сооружение, которое включает в себя не только печь, но и вспомогательные узлы.

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Принцип работы

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Фото доменной печи

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии.

Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства.

Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

  • Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.
  • При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.
  • При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

  • зона горячего дутья,
  • зона плавления (сюда входят горн и заплечики),
  • распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO,
  • шахта, где происходит восстановление Fe2O3,
  • колошник с предварительным нагревом материала,
  • загрузка шихты и кокса,
  • доменный газ,
  • зона, где находится столб материала,
  • выпуски для шлака и жидкого чугуна,
  • сбор для отходящих газов.
  • Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.
  • Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.
  • Более подробный вариант устройства:

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

  1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
  2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
  3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

  • в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен,
  • скип загружает в колошник шихту,
  • вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус,
  • воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна,
  • малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается,
  • большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

  • крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты),
  • сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится,
  • физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию,
  • залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

  • металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром),
  • два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром,
  • отрезок швеллера,
  • листовая сталь,
  • уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток,
  • инвертор, набор электродов,
  • кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

  1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
  2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
  3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
  4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
  5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
  6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
  7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

  • уровень КПД хороший,
  • есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов,
  • в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Читайте также: Пильные диски по металлу для циркулярной пилы

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток.

Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры.

Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

  • приемное устройство для руды,
  • приточные станции бункерной эстакады и центрального узла,
  • бункерная эстакада,
  • компрессорная станция (установлена на литейном дворе),
  • установка для вдувания пылеугольного топлива,
  • утилизационная ТЭЦ,
  • центр управления и административный корпус,
  • литейный двор,
  • домна,
  • воздухонагревательные блоки,
  • насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Вывод

Домна – металлургическое оборудование, позволяющее получить чугун посредством переработки железной руды в промышленных масштабах.

Особенность технологии обеспечивает не только высокое качество получаемой продукции, но и экономный расход кокса. В процессе производства можно контролировать условия плавки, применяя для этого компьютеризированные системы и получая продукт со строго заданными свойствами.

(1

Устройство доменной печи, принцип работы доменной печи

Выплавка чугуна в промышленных масштабах невозможна без габаритных, сложных и мощных печей. Доменная печь – вертикальное сооружение шахтного типа, в котором железную руду переплавляют в полезный металл. Устройство доменной печи подразумевает непрерывную работу конструкции в течение 3-12 лет, вплоть до капитального ремонта.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 1. Доменная печь

Устройство домны

Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).

Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 2. Устройство доменной печи

Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:

  • колошником (колосником);
  • распаром;
  • шахтой;
  • горном;
  • заплечиками.

Колошник

Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные.

Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь.

После этого герметизируется и крупное устройство.

Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.

Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 3. Схема доменного производства

Шахта

Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.

Распар

Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.

Горн

Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции.

Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива.

Дно металлоприёмника называется лещадь.

Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.

Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.

Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента

В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.

Размеры, мм Полезный объём домны, м3
2000 3000 5000
Диаметр:
колошника 7300 8200 11200
распара 10900 12900 16300
горна 9750 11700 14900
Высота:
шахты 18200 20100 19500
горна 3600 3900 4500
полезная 29200 32200 32200
полная 32350 34650 36900

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

  • воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
  • воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
  • устройства для подъёма и засыпки шихты;
  • газоочистители для очистки колошниковых газов;
  • прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 4. Пример современной доменной печи

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Современные домны даны на откуп автоматике. Компьютер контролирует основные производственные процессы

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.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 5. Производство чугуна с химической точки зрения

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.

Назначение флюса – отделение чугуна от примесей и пустой породы (шлака)

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.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Рисунок 6. Схема домны

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.

Восстановление железа – один из важнейших производственных этапов. Без этого процесса невозможно обретение металлом необходимой прочности.

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.

Читайте также: Каким клеем приклеить резину к металлу

Заключение

Доменная печь – одна из самых важных составляющих чёрной металлургии. В современных реалиях домны обычно «встроены» в металлургические комбинаты. Средняя печь способна ежедневно выдавать около 12000 т чугуна, расходуя при этом приблизительно 20000 т исходного сырья.

Устройство доменной печи: схема, принцип работы и назначение — как построить своими руками

Несмотря на большое количество синтетических и полимерных материалов, получивших большое распространение в современной промышленности и в быту, использование сплавов железа не уступает пальму первенства.

Самые ответственные детали, механизмы, инструменты и прочие узлы изготовлены из различных марок и видов металла, обладающих необходимыми свойствами для решения поставленных задач. Активные поиски полноценной замены металлическим сплавам пока не имеют успеха, поскольку разница в свойствах материалов слишком велика.

Развитие металлургии не останавливается, появляются новые технологии и методики изготовления высокопрочных и твёрдых материалов. При этом не забыты и старые, традиционные методы выплавки металлов, отработанные веками и детально изученные многими поколениями металлургов.

Читать статью Домна — это печь для выплавки чугуна

Рассмотрим устройство доменной печи — одной из наиболее старых конструкций для производства литейного чугуна, которая активно применяется и по сей день.

Необходимость совершенствования технологии выплавки железа возникла давно. Легкоплавкие руды, расположенные практически на поверхности земли, не отличались большими объёмами и быстро были израсходованы.

Существующая методика выплавки была несостоятельна и не позволяла работать с тугоплавкими рудами. Появилась необходимость в усовершенствовании существующего оборудования и технологии.

В первую очередь требовалось увеличить размеры печей и значительно усилить режим наддува.

Первые упоминания о конструкциях, аналогичных доменным печам, обнаружены в Китае. Они относятся к IV веку.

В Европе появление доменных печей относят к XV веку, до этого использовались так называемые сыродутные печи.

Непосредственным предшественником домны являлся каталонский горн, который использовал технологические приёмы, близкие к методике доменного производства. Его отличительными чертами были:

  • Непрерывный процесс подачи шихты;
  • Использование мощных установок подачи воздуха с гидравлическим приводом.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменная печь XIV века

Объём каталонского горна составлял всего 1 м³, что не позволяло получать больших объёмов продукции.

В XIII веке в европейском княжестве Штирия был создан штукофен, увеличенный и усовершенствованный вариант каталонского горна.

Он имел около 3,5 м в высоту и два технологических отверстия — нижнее для подачи воздуха, верхнее для извлечения крицы (сыродутного железа). Штукофен выдавал три вида железных полуфабрикатов:

Разница между ними заключалась в содержании углерода — больше всего его было в чугуне (больше 1,7%), в стали его было меньше 1,7%, а в ковком железе содержание составляло 0,04%. Высокий уровень содержания углерода оценивался негативно, так как чугун нельзя ковать, сваривать, из него сложно изготавливать оружие.

Это важно! Первоначально чугун был отнесён к отходам производства, так как не поддавался ковке. Отношение к нему изменилось только после начала вторичной переплавки, которое стали делать из-за нехватки легкоплавких руд. Передельное железо, полученное из чугуна, имело более высокое качество, что послужило стимулом к расширению переделочного процесса.

Дальнейшее наращивание мощностей и совершенствование технологии послужили толчком к возникновению блауфена, имевшего высоту уже около 5–6 м, способного к выплавке чугуна и железа одновременно.

Он уже практически являлся доменной печью, хоть и несколько уменьшенной, упрощённой конструкции.

Утвердился двухступенчатый процесс, когда первой стадией было получение чугуна, а второй — выплавка из него железа при усиленном наддуве.

Появление первых доменных печей в Европе относится к концу XV века. Почти сразу подобные конструкции появились в Англии, а в США первые домны созданы гораздо позже — в 1619 году. Первую домну в России на своей мануфактуре в Туле построил А. А. Виниус. Процесс состоял из следующих этапов:

  1. Загрузка древесного угля и наддув.
  2. Укладка чугунных чушек перед устьем, расплавление, сток чугуна вниз.
  3. Потеря части углерода во время прохождения возле фурм.
  4. Подача полученного железа к соплу, мощный наддув, при котором лишний углерод выгорал, а мягкое железо оседало на дне.

Железо извлекали со дна горна и проковывали, удаляя жидкий шлак, уплотняя чушки. При таком способе выход готового железа составлял около 92 % от изначального веса чугуна, а его качество значительно превышало показатели кричного продукта.

Серьёзной проблемой стал топливный кризис. Для плавления руды использовался древесный уголь, что привело к истреблению лесов. Проблема выросла до таких размеров, что в Англию ввозили металл из Европы, а позже — и из России в течение 2 веков.

Оказалось, что лес растёт медленнее, чем горит. Попытки использования каменного угля показали, что в нём содержится большое количество серы, существенно снижающей качество металла. Было произведено множество опытов, не увенчавшихся успехом.

Это интересно! Решение было найдено только в 1735 году английским металлургом А. Дерби II, который нашёл способ превращения угля в кокс. С этого времени топливная проблема была преодолена, и процесс получил новый толчок к развитию.

Следующим революционным открытием стал нагрев воздуха, используемого для наддува. Он позволил заметно снизить расход каменного угля до 36 %. Появились специальные требования к сортности, качеству металла по содержанию марганца, кремния, фосфора. Технология и конструкция печей совершенствовались, дополнялись, понемногу приходя к современному виду.

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна.

Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет.

Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно.

Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

  • Каменноугольный кокс (топливо);
  • Железная руда (агломерат, окатыши);
  • Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало.

Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала.

Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту.

Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение.

Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

  • Колошник. Верхний отдел башни, где производится загрузка шихты и выводятся колошниковые газы.
  • Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
  • Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
  • Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
  • Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции.

Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува.

Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.

Схемы доменной печи

Устройство доменных печей и производственный процесс выплавки практически одинаковы во всех странах и принципиальных различий не имеют. Но имеются разные схемы несущих конструкций, обладающие собственными особенностями и спецификой.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Особенности схем разных конструкций печей

  1. Шотландская схема (а). Колошник установлен на специальные несущие конструкции, называемые основными колоннами. Как правило, их количество соответствует числу фурм. Это делается для удобства работы и обслуживания воздухоподающих отверстий. Если использовать другие варианты размещения, то фурмы придётся располагать неравномерно, что скажется на режиме наддува и общем качестве металла. Недостатком этой схемы является возможность передачи вибрации с погрузочных устройств на конструкцию печи. Кроме того, существуют трудности в проведении срочных ремонтных работ или реконструкций. При этом такая печь обходится дешевле и обладает меньшей массой, что сокращает время постройки.
  2. Немецкая (б). Колошник установлен на собственные опоры (колонны). Это улучшает качество обслуживания горна, но создаёт возможность образования чрезмерных напряжений в зоне заплечиков из-за нагрузок от веса башни. Усиление конструкции образует проблемы с доступом к заплечикам, что сказывается на режиме и качестве работ.
  3. Комбинированная (в). В этом варианте схемы напряжения на заплечиках снижены, но это сделано за счёт более сложного обслуживания участка горна. При этом данная схема обеспечивает высокую прочность кожуха, который продолжает эффективно функционировать даже при наличии заметных трещин. Такая особенность схемы по достоинству оценена специалистами, работающими на сырьё с большим процентным содержанием цинка. Он образует излишнее давление на стенки башни, увеличивая частоту капитальных ремонтов.
  4. Японская (г). Несущими конструкциями являются 6 колонн, снабжённых кронштейнами. Несмотря на повышенную несущую способность, отмечаются заметные недостатки — дисбаланс нагрузок увеличивает вес опор, диаметр воздуховода увеличен по сравнению с другими вариантами схем, что способствует возрастанию нагрузок на фурменное оборудование. Дополнительным недостатком считается сложность организации напольного транспорта в зоне горна.
  5. Американская (д). Схема отличается наличием 4 несущих колонн. Преимуществами являются пониженная вибрация, возникающая при работе загрузочных механизмов, а также значительно улучшен доступ к участку леток и фурм.

Читайте также: Чистка литых дисков своими руками

Указанные схемы разрабатывались и совершенствовались в разных условиях, что и стало причиной появления некоторых различий в конструкции. Тем не менее, все они вполне успешно эксплуатируются и дают продукцию высокого качества.

Доменная печь своими руками

Самостоятельное изготовление доменной печи на первый взгляд кажется нелепой затеей. Вряд ли кому-то придёт в голову организовать на своём участке миниатюрный металлургический цех. Причин этому несколько:

  1. Отсутствие сырья. В мире осталось всего 2 месторождения с богатой рудой — в Бразилии и в Австралии. Купить окатыши или агломерат практически невозможно — их нет в свободной продаже, все поставки идут через сырьевые биржи и исчисляются тысячами тонн.
  2. Получить разрешение на строительство миниатюрного металлургического производства невозможно. Чёрная металлургия — источник значительных экологических проблем, поэтому ни один чиновник не рискнёт дать разрешение на подобную затею.
  3. Соседи завалят жалобами все инстанции, поскольку постоянный дым и чад сделают их жизнь невыносимой.

Указаны только самые основные причины, в действительности их гораздо больше. Использование доменной печи для производства металла в условиях частного дома исключено.

Однако если учесть специфику работы домны, в частности — непрерывный режим горения, то можно использовать её для обогрева помещений. Это эффективное решение для подачи тепла как в жилые, так и в служебные помещения — гараж, теплицы, вспомогательные постройки и т. д.

В отличие от обычной твёрдотопливной печи, где надо часто загружать топливо, а КПД довольно низок, домна обеспечивает ровное тление материала в течение 15–20 часов.

Это получается благодаря ограниченному поступлению воздуха, не позволяющего топливу активно гореть и растягивающему процесс на длительный срок.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Доменную печь можно сделать самостоятельно

Печь обычно делают из металлической бочки. Аккуратно вырезают днище (оно ещё понадобится), устанавливают бочку на заранее изготовленный фундамент. Вырезанный круг усиливают отрезками швеллера для придания большего веса — он будет придавливать топливо, способствуя компактному размещению и эффективному тлению. Вырезают отверстие под дымоход, обычно хватает трубы диаметром 10 см.

Затем надо из листа металла вырезать крышку для бочки, так как днище уже использовано как гнёт для топлива. Вырезается круг соответствующего размера, тщательно приваривается к бочке. В нём также делается отверстие для трубы. В нижней части бочки вырезается отверстие для дверцы, через которое будет производиться закладка топлива.

Под ней можно сделать дополнительную дверцу для удаления золы.

Дымоход приваривается сверху, длина его прямой части (до первого колена) должна превышать диаметр бочки (в идеале — гораздо больше).

При работе печь сильно нагревается, поэтому многие обкладывают её кирпичом или создают теплоотражающий экран. Оптимальный режим работы находят опытным путём.

Необходимо соблюдать меры пожарной безопасности, в идеале для такой печи надо выделить отдельное помещение без горючих предметов.

Видео: рождение стали

Доменная печь — одна из самых старых и проверенных конструкций. Её эффективность проверена временем, технологические приёмы и методики тщательно изучены и отработаны. Возможности домны таковы, что эксплуатация подобных устройств будет длиться ещё очень долго, конструкции и технологии будут совершенствоваться.

Устройство и работа доменной печи

Назначение доменной печи — осуществление процессов выплавки ферросплавов и чугуна. Для производства этих материалов используется железорудное сырье. История происхождения названия такого оборудования уходит корнями в 14 век. Термин «доменная» возник от слова дутье. Первые печи появились в Европе, а затем, уже после 16 века, пришли в Россию.

Устройство доменной печи выглядит следующим образом: печь установлена на фундаменте, а снаружи ее покрывает стальной кожух. Фундамент достаточно высок, его поверхностная, жароустойчивая часть называется пнем. Кожух обычно имеет толщину от 4 до 6 см, внутри него, вдоль стенок, находятся огнеупорные изделия.

На верхушке фундамента выложена лещадь, подвергающаяся гидростатическому давлению выплавляемой массы и воздействию высоких температур. Кладки лещади, находящиеся внутри кожуха, окружают специальные холодильники. Они представлены чугунными плитами со змеевиками, по которым осуществляется циркуляция воды.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Работа доменной печи — важная составная современной черной металлургии. В современном производстве применяется только оборудование с высоким уровнем производительности. Кроме того, прогрессивные доменные печи оснащены системами автоматики. Роль автоматики заключается в том, чтобы регулировать, контролировать и регистрировать главные характеристики рабочих операций по выплавке. Современная печь может контролировать уровень, на который засыпана шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность таких печей растет, можно сказать, в ногу со временем. Усовершенствования системы выплавки позволяют увеличить производительность оборудования в несколько раз.

Схема доменной печи дает визуальное понятие принципа ее работы. Здесь можно пронаблюдать, как меняется конструкция оборудования в местах повышенного температурного режима. Также, с учетом схемы, можно увидеть, где засыпаются составляющие сырья и до какого уровня.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Процессы в доменной печи происходят в строго установленном порядке. Сама печь имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может немного отличаться, но не превышает 35 м. Диаметр сооружения, как правило, в 2,5 – 3 раза меньше.

Процесс протекает в определенной последовательности. Сначала происходит восстановление железа. Затем восстанавливаются другие элементы – фосфор, сера и прочие. Образующийся шлак, уже существенно поменявший свои составные, стекает вниз и накапливается в области горна.

Именно химическим составом шлака определяется состав чугуна.

Принцип работы оборудования

  • 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.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Шихта в современном понимании – это смесь кокса, железорудного агломерата и офлюсованного сырья. Перед процессом плавки шихта проходит специальную подготовку. Сначала она дробится, затем просеивается. После просеивания крупные куски отправляются на повторное дробление.

Результатом процесса горения становится повышение температуры. Высшая температурная точка может достигать значения более 2000 градусов Цельсия. Процессы происходят под давлением горячих газов. При подъеме эти газы остывают до 300-400 градусов у кокошника.

Назначение печей

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 древесноугольными. 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.

Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Индустриальная доменная печь, называемая плавильной, предназначена для перевода обрабатываемого материала из одного состояния в другое. Так, твердое состояние постепенно, под воздействием температуры, превышающей температуру плавления, переходит в жидкое.

Материал, доведенный до жидкого состояния может находиться во взвешенном положении, а также в кристаллизаторе, тигле, горне шахты или ванне на подине. Индустриальные доменные печи применяются в целях производства металлов из руд.

Именно в них проходят еще процессы выплавки цветных металлов и стали, варки стекла и прочих.

Ремонт доменных печей можно проводить несколькими способами. Основные ремонтные работы производятся по мере необходимости или в связи с плановым капитальным ремонтом. Именно в этот период непрерывный процесс работы приостанавливается. Капитальный ремонт делится на три вида разрядов.

По первому ремонтному разряду надлежит выпускать из горна жидкие продукты плавки полностью и проводить тщательный осмотр всего оборудования. Второй разряд обозначает средний ремонт с заменой некоторых элементов.

Третья категория ремонта подразумевает смену засыпных устройств и поправку колошниковой защиты.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

В зависимости от того, через какую температурную зону доменной печи проходит загруженный материал, он претерпевает те или иные физико-химические процессы:

  • разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид,
  • восстановление железа и других элементов,
  • науглероживание железа,
  • плавление металла,
  • образование и плавление шлаков,
  • горение топлива и др.

Топливо, опустившись до уровня фурм, сгорает в струе поступающего нагретого воздуха по реакции

Температура в фокусе горения кокса достигает 1800—1900°.

СО2, в присутствии раскаленного углерода кокса восстанавливается по реакции

и увеличивает содержание окиси углерода в газовой смеси. При более низких температурах окись углерода снова распадается по реакции

и образует сажистый углерод, который участвует в процессах восстановления и науглероживания железа.

Для снижения расхода кокса в доменных печах применяют природный газ. Для получения лучших технико-экономических показателей дутье, подаваемое в доменную печь, обогащают кислородом до 30 35%. Чем выше содержание кислорода в воздухе, тем больше кокса может быть заменено природным газом. Соотношение природного газа и кислорода, подаваемых в доменную печь, регулируется автоматически.

Процесс выделения гидратной воды бурых железняков начинается при 250° и заканчивается при 450÷500°. Выделение летучих веществ из кокса заканчивается при более высоких температурах.

Углекислые соли, содержащиеся в рудах и флюсах, при нагреве разлагаются с поглощением значительного количества тепла. Поэтому считают более целесообразным флюсы добавлять к руде перед обжигом ее на агломерат.

Восстановление железа в доменной печи происходит за счет последовательного отщепления кислорода от окислов железа. Bосстановление железа из окиси Fe2О3 окисью углерода проходит следующие стадии:

Степень восстановления железа окисью углерода зависит от качества руды — ее естественных свойств и характера предварительной обработки;

Устройство доменной печи

image001

Доменная печь-это печь шахтная, работает по принципу противотока(исходные материалы), которыми являются руда, флюс, топливо, загружают в печь сверху, а на встречу им принимаются газовосстановители образовавшиеся в результате сгорания твердого топлива которым является флюс.

Колошник Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа.

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.

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.

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 Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью.

Основной продукт доменной плавки — чугун — сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, серой и фос­фором. В состав легированных чугунов входят хром, ни­кель, ванадий. Чугуны разделяются на передельные, из которых получают сталь; литейные, предназначенные для отливки различных изделий, и доменные ферроспла­вы, предназначенные для легирования и раскисления стали.

Читать статью ОБОРУДОВАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Вопрос 7. Производство стали. Сущность процесса. Исходные материалы. Основные законы физической химии. Этапы процесса выплавки. Способы раскисления и легирования стали. Используемое оборудование.

Производствосталей это процесс окислительный используют примесей чугуна пределов при помощи чистого кислорода –воздуха и руды.

Сущость процесса стали является снижение содержания углерода и примесей входящих в состав чугуна и перевода их в шлак и газы в процессе плавки.

Читайте также Устройство и принцип работы доменной печи

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Условно процессы, протекающие в доменной печи, разделяют на горение топлива; разложение компонентов шихты; восстановление железа; науглероживание железа; восстановление марганца, кремния, фосфора, серы; шлакообразование. Все эти процессы проходят в доменной печи одновременно, но с разной интенсивностью, при различных температурах и на разных уровнях.

Горение топлива. Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, CO2, N2, Н2, СН4 и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура выше 2000 °С. Горячие газы, поднимаясь, отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300. 400 °С у колошника.

Восстановление железа в доменной печи. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре 500. 510 °С начинается восстановление оксидов железа.

Разложение компонентов шихты происходит в зависимости от ее состава. Если в доменную печь подается офлюсованный агломерат, то эти процессы протекают при агломерации и в доменной печи почти не идут. При работе на шихте, содержащей флюсы и часть сырой руды, в верхней части доменной печи разрушаются гидраты оксидов железа и алюминия. Известняк флюса диссоциирует по реакции СаСО3 = СаО + СО2.

В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также с водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а восстановление твердым углеродом — прямым. Реакции косвенного восстановления — экзотермические (сопровождаются выделением теплоты), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления — эндотермические (сопровождаются поглощением теплоты), они протекают в нижней части доменной печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий — от высшего оксида к низшему:

Восстановление железа заканчивается при 1100. 1200 °С. В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Потери со шлаком составляют не более 1%.

Науглероживание железа. Восстановление железа начинается в верхней части шахты доменной печи при 500. 570 °С и заканчивается в распаре при 1100. 1200 °С. При этих температурах восстановленное железо с Тпл = 1539 °С находится в твердом состоянии или в виде губчатой массы. Однако уже в шахте доменной печи наряду с восстановлением железа происходит и его науглероживание при взаимодействии с оксидом углерода, коксом, сажистым углеродом. Это приводит к образованию жидкого расплава, который каплями начинает стекать в горн.

Эти капли, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000. 1200 °С восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Марганец в виде оксидов в доменную печь вносится железной, марганцевой рудами или агломератом и восстанавливается в шахте по реакции, аналогичной восстановлению оксидов железа: МnО2 — > Мn2О3 — > МnО3 — > МnО. Оксид марганца (МnО) восстанавливается только твердым углеродом с образованием карбида марганца (Мn3С) при температуре не ниже 1100 °С. Карбид марганца растворяется в железе, повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в руде в виде SiO2, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO2 переходит в шлак. Кремний восстанавливается при температурах не ниже 1450 °С.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO3) *Р2О5 и (СаОз) *Р2О5. При температурах выше 1000 °С фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe3P полностью растворяются в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FeS, CaSO4. Сера летуча, и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы и FeS растворяется в чугуне. Вследствие реакции:

Читайте также Доменная печь: что такое, как появилась, как работает

FeS + СаО => CaS + FeO;

часть серы в виде CaS удаляется в шлак. Фосфор и сера в чугуне являются вредными примесями.

Таким образом, в результате процесса восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе С, Mn, Si, P, S в доменной печи образуется чугун.

Образование шлака. Шлакообразование активно происходит в распаре после окончания процессов восстановления железа путем сплавления флюсов, добавляемых в доменную печь для обеспечения достаточной жидкотекучести при температуре 1400. 1450 °С, оксидов пустой породы и золы кокса. Основные составляющие доменного шлака: оксиды кремния (30. 45%), оксиды кальция (40. 50%), оксид алюминия (10. 25%) и другие компоненты. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи каждые 3. 4 ч, а шлак — через 1. 1,5 ч. Чугун выпускают через чугунную летку 16 — отверстие в кладке, расположенное несколько выше лещади, а шлак — через шлаковую летку 17. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Характеристика вредных веществ, выделяющихся при выплавке чугуна

Азот и его соединения — развивается токсический отек легких «синего» или «серого» типа. Сразу после вдыхании появляется небольшой быстро проходящий кашель, отмечаются першение в горле, боли за грудиной, обусловленные раздражением слизистой оболочки дыхательных путей.

Окись углерода — хроническая интоксикация характеризуется расстройствами функции центральной нервной системы. Могут отмечаться боли в области сердца, повышение артериального давления.

Пыль — это твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Средний размер этих частиц составляет 11-5 1 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Пыль обладает раздражающим, аллергенным, токсигенным и фиброгенным действием. У рабочих металлургического производства частые жалобы на насморк, чихание, кашель, сухость в горле, головную боль. Аллергические заболевания дыхательных путей встречаются чаще у рабочих с большим стажем (в среднем после 8 лет работы).

1.2. Основные физико-химические процессы в современных доменных печах

img cerwCi

Доменная печь представля­ет собой шахтную печь кругло­го сечения объемом 2-3 тыс. м 3 рис. 1.1), с полезной высотой 35 м. Стальной ко­жух выложен изнутри огне­упорным материалом 3 шамотным кирпичем.. Колош­ник цилиндрической формы служит для загрузки печи ших­той, доменный (колошниковый) газ удаляется через газоотво­ды 2. Горячий газ, нагревая шихту, охлаждается и в районе колошника имеет температуру всего 300. 400 °С. Агломерат, известняк и кокс подаются на колошник через засыпной аппарат 1 . Шахта печи представляет собой расширяющейся книзу конус, что обеспечивает свободное перемещение шихты сверху вниз по мере ее расплавления.

В распаре шихта плавится и объ­ем ее уменьшается, в заплечиках образуется губчатое железо. Заплечики, имеющие форму усеченного конуса, сужаются книзу. Это необходимо для удержания твердой шихты в распаре и шахте. Губчатое железо каплями сте­кает в горн, в процессе перемещения оно насыщаеется уг­леродом.

Цилиндрический горн состоит из двух зон: верхней (фурменной) и нижней (металлоприемник). В верхней зоне установлены фурмы 4, через которые подается горя­чий воздух (дутье) и топливо (жидкое, пыле- или газо­образное), температура здесь достигает 2000-°С. В ниж­ней зоне собираются жидкий чугун и расплавленный шлак, которые выпускают через чугунную 6 и шлаковую 5 летки в ковши.

Доменный процесс относят к восстановительному противоточному процессу. Совершается взаимодействие опускающихся сверху вниз шихтовых материалов с под­нимающимся снизу вверх потоком нагретых восстанови­тельных газов.

При сжигании топлива в доменной печи первым про­цессом является сгорание углерода раскаленно­го кокса в небольших объемах вблизи фурм, при этом образуется диоксид углерода СО2. Вследствие воздейст­вия высокой температуры и отсутствия твердого углеро­да кокса СО2 неустойчив, поэтому конечная стадия горе­ния углерода может быть записана так:

Читайте также Сырьё и топливо для доменных печей

Так возникает конечный продукт горения кокса — оксид углерода СО.

Второй процесс характеризуется восстановлени­ем железа, марганца, кремния, фосфора, серы и других элементов. Восстановителями являются СО, Н2 (об­разующийся в результате воздействия углерода на вла­гу дутья в виде водяного пара) и твердый углерод С. Вос­становление оксидов железа газами называется косвен­ным,(сопров выделен теплоты- экзотермическая),

а твердым углеродом — прямым. сопров поглощен теплоты- эндотермическая Главные реакции восстановления: от высшего оксида к низшему

FeO + CO = Fe + CO2 + Q.

В доменных печах с применением природного газа или мазута степень прямого восстановления железа, протека­ющая по реакции, FeO+ C==Fe+CO—Q, составляет 20. . 40%.

Восстановленное в доменной печи железо активно по­глощает углерод (науглероживается) и другие элементы, что приводит к образованию чугуна:

Капли жидкого металла интенсивнее взаимодейству­ют также с углеродом при контакте с раскаленным кок­сом по реакции

Насыщенное углеродом железо имеет пониженную (до 1150. 1200°С) в сравнении с чистым железом (1539°С) температуру плавления, что повышает экономическую эф­фективность процесса.

Жидкий чугун стекает вниз и собирается в горне. Пус­тая порода, известняк и кокс при опускании вниз попа­дают в зону более высоких температур и на уровне рас­пара расплавляются и образуют жидкий шлак.

В получаемом чугуне кроме железа содержатся полез­ные (Мп и Si) и вредные (S и Р) примеси.

В чугун переходит лишь часть марганца шихты, некото­рое количество в виде соединений МпО удаляется шла­ком и в виде соединения МпзО4 — в газовую фазу домен­ной печи. t — 1100

Восстановление кремния осуществляется по реакции SiO2 + 2С = Si + 2СО — Q.

Часть полученного кремния растворяется в чугуне, а часть остается в шлаке

Фосфор, как и железо, полностью восстанавливается в доменной печи и переходит в металл

В доменном процессе удалению серы из металла при­дается большое значение. Сера вносится в печь коксом (основная доля) и железорудными материалами. Часть серы удаляется в виде газов, большая же часть входит в состав шлака в виде CaS и FeS, последний растворяет­ся в чугуне. Поэтому главная задача удаления серы из чугуна (десульфурация металла) заключается в; том, чтобы перевести ее в нерастворимые в железе сое­динения в присутствии шлака по реакции

FeS + СаО + С = CaS + Fe + CO.

Продукты доменного производства и области их при­менения.

Главной продукцией доменного производства являются чугуны. Чугуны разделяются на

Передельные чугуны вы­пускаются трех видов:

для сталеплавильного (марки П1 и П2)

литейного (ПЛ1 и ПЛ2) производств;

фосфорис­тый (ПФ1, ПФ2 и ПФЗ);

высококачественный (ПВКЛ, ПВК2 и ПВКЗ).

Доля углерода в этих чугунах составля­ет в среднем 4 %.

Для производства фасонных чугунных отливок выпус­каются литейные чушковые чугуны: обычные (мар­кировка Л) и рафинированные магнием (ЛР).

Специальные чугуны, или ферросплавы, приме­няются для раскисления и легирования сталей. К ним относятся сплавы железа с кремнием и марганцем: зер­кальные чугуны, ферросилиции и ферромарганцы.

Качество чугунов может быть улучшено внедоменной обработкой в ковшах, направленной на удаление серы и кремния.

Побочными продуктами доменной плавки являются шлак и колошниковый газ.

Из доменного шлака изготовляют шлаковые блоки, цемент, кирпичи, шлаковату, шлакоситаллы и др., для чего его подвергают мокрой грануляции (быстрому ох­лаждению в воде).

Колошниковый газ в больших объемах используется в качестве газообразного топлива для нагрева воздухона­гревателей доменных печей, водяных и паровых котлов, для отопления мартеновских и нагревательных печей.

Выплавка чугуна в доменных печах является самым распространенным и производительным процессом по сравнению с другими процессами получения чугуна. До­менный процесс широко механизирован и автоматизиро­ван.

Похожие записи:

  1. Общая характеристика доменного производства
  2. Сырьё и топливо для доменных печей
  3. Металлургическая теплотехника ->
  4. Материалы для доменного производства

Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Системы отопления

Воздухонагреватели сооружаются при домнах с момента изобретения Э. А. Каупера, то есть с 1857 года. Воздухонагреватели имеют вид больших башен, расположенных рядом с домной. Из домны по трубе — газоотводу — в воздухонагреватель поступает горячий колошниковый газ, который в специальной камере внутри воздухонагревателя смешивается с поступающим по другой трубе воздухом и сгорает. Образующийся ещё более горячий газ проходит через насадку — сложенную из кирпичей колонну с зазором между ними для прохода газа. Этот газ нагревает насадку и выводится из воздухонагревателя через третью трубу. Когда насадка нагреется до необходимой температуры, в воздухонагреватель пускают обычный, ненагретый, воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры свыше 1000 °С и далее идёт в домну для выплавки чугуна. Насадка при этом постепенно охлаждается, и когда она достаточно охладится, её снова разогревают сжиганием колошникового газа. Отсюда видно, что процесс нагрева воздуха для домны не является непрерывным, а поскольку выплавка чугуна в домне идёт постоянно, при ней сооружают несколько воздухонагревателей — пока один из них работает на нагрев насадки колошниковым газом из домны, другой работает на нагрев насадкой воздуха для домны.

  • Таганрог. Металлургический завод
  • Доменная печь в Дуйсбурге, Германия
  • Фурмы доменной печи
  • Составные части доменной шихты: окатыши, кокс, известняк
  • Окатыши на рудном дворе доменного цеха

Устройство доменной печи

На заре черной металлургии плавку болотной руды проводили в домнице – это мини домна, воздух в которую поступал от мехов. А обогащение железа углеродом происходило от древесного угля. Объемы выплавляемого металла таким способом были невелики и отличались периодичностью.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Конструкция доменной печи

Строение доменной печи напоминает шахту. Ее диаметр в три раза меньше высоты. Монтаж высотной конструкции осуществляется на бетонном фундаменте толщиной 4 м. Необходимость в таком массивном фундаменте возникает из-за массы домны, которая более 30 000 т.

На фундаментной плите закрепляются колонны и цельный (монолитный) цилиндр, которые изготавливаются и термостойкого бетона. Внутреннее пространство конструкции обложено огнеупорными материалами, а верхняя часть шамотом. В районе заплечников, где температура достигает 2000°С — графитированными материалами, а под ванной с чугуном — футеровка из глинозема. Также на фундаменте монтируется печной горн.

Нижняя часть доменной печи, где температура максимальна, оборудуется холодильниками с водяным охлаждением.Для удержания собранной огнеупорной конструкции, с внешней стороны доменная печь заключена в металлическую рубашку толщиной 40 мм.

Процесс восстановления железа происходит из руды в среде известнякового флюса при высокой температуре. Температура плавления достигается горением кокса. Для поддержания горения необходим воздух, поэтому в домне установлены 4 — 36 фурм или леток.

Большой внутренний объем нуждается в больших объемах воздуха, которые подают турбинные нагнетатели. Чтобы не снижать температурный, режим воздух перед подачей подогревается.

Схематически доменная печь выглядит следующим образом.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Схема расположения оборудования для доменного производства

Состав конструкции производства литья:

  1. шихта (руда и известняк);
  2. коксовый уголь;
  3. загрузочный подъемник;
  4. колошник, предотвращающий попадание газов из домны в атмосферу;
  5. слой загруженного кокса;
  6. шихтовый слой;
  7. воздушные нагнетатели;
  8. отводимый шлак;
  9. литьевой чугун;
  10. емкость для приема шлака;
  11. приемный ковш для расплава;
  12. установка типа Циклон, очищающая от пыли доменный газ;
  13. кауперы, регенераторы газов;
  14. дымоотводящая труба;
  15. воздухоподвод в кауперы;
  16. угольный порошок;
  17. печь для спекания кокса;
  18. емкость для хранения кокса;
  19. отведение колошникового газа высокой температуры.

Доменная печь обслуживается вспомогательными системами.

Колошник – это затвор домны. От его исправной работы зависит экологическая обстановка вокруг производства.

  1. воронка приемная;
  2. воронка маленького конуса, вращающаяся;
  3. конус маленький;
  4. межконусное пространство;
  5. конус большой;
  6. скип.

Принцип работы колошника следующий:

  • Большой конус опущен, а малый поднят. Окошки во вращающейся воронке перекрыты.
  • Скип осуществляет загрузку шихты.
  • Поворачиваясь, воронка открывает окна, и шихта осыпается на малый конус 3. затем возвращается на место.
  • Конус поднимается, тем самым препятствует выходу доменных газов.
  • Конус опускается для передачи шихты в межконусное пространство, затем поднимается на исходную позицию.
  • Конус опускается, а вместе с ним шихта загружается в доменную шахту.

Такая дозированная подача обеспечивает послойное распределение материалов.

Скип – черпак, при помощи которого осуществляется загрузка. Она выполняются по конвейерной технологии. Воздушные нагнетатели – летки и фурмы осуществляют подачу воздуха в доменную шахту под давлением 2-2,5 МПа.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Фурма и чугунная летка

Кауперы служат для нагревания подаваемого воздуха. В регенераторах он подогревается доменными газами, снижая тем самым энергетическую нагрузку на агрегат. Воздух нагревается до 1200°С и подается в шахту. При снижении температуры до 850°С подача прекращается, возобновляется цикл нагрева. Для бесперебойной подачи горячего воздуха устанавливается несколько регенераторов.

Примечания[ | ]

  1. Невероятная история китайских изобретений
  2. Загадки сыродутного горна
  3. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения 14 октября 2020. Архивировано 14 октября 2020 года.
  4. Доменная печь
  5. Бабарыкин, 2009, с. 14.
  6. Бабарыкин, 2009, с. 15.
  7. Производство чугуна доменная печь
  8. Бабарыкин, 2009, с. 17.
  9. Woodcroft B. Subject-matter index (made from titles only) of patents of invention, from March 2, 1617 (14 James I.), to October 1, 1852 (16 Victoriae) (англ.). — London, 1857. — P. 347.
  10. Карабасов, 2014, с. 73.
  11. Woodcroft B. Chronological Index of Patents Applied for and Patents Granted, For the Year 1857 (англ.). — London: Great Seal Patent Office, 1858. — P. 86.
  12. Карабасов, 2014, с. 93.
  13. Карабасов, 2014, с. 94.
  14. Автоматизация металлургических печей / Каганов В.Ю. — М.: Металлургия, 1975. — с. 255-257
  15. Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. § 78. Производство чугуна // Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. — 7-е изд. — М.: Просвещение, 1976. — С. 159—164. — 2 350 000 экз.

Как выбрать домен

Домен может содержать от 2 до 63 символов, включать латинские или кириллические символы (в зонах.ру и.рус), а также цифры и дефисы.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Презентация Данира Харисова

В доменное имя можно добавить ключевые слова, которые соответствуют тематике сайта, что поможет в привлечении целевой аудитории.

Хороший домен оценивают по следующим показателям:

  • Краткость — лаконичное название проще запомнить и вбить в поисковой строке.
  • Запоминаемость — уникальное название быстрее запоминается, что предотвращает переход пользователей по ссылкам конкурентов.
  • Ассоциативность — домен должен отражать тематику сайта или ассоциироваться с брендом.
  • Легкость произношения — это необходимо, чтобы адрес сайта было просто назвать в устной беседе.
  • Отсутствие «сложных» букв — это актуально для названий сайтов, которые представляют собой транслитерацию с кириллицы. Например, русская «ф» может выглядеть как «f» или «ph», а русскую «и» можно написать как «i» или «y».

Горн

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью.

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

Читать статью Металлургическая теплотехника ->

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм Полезный объем печи, м3
2000 3000 5000
Диаметр:
горна 9750 11700 14900
распара 10900 12900 16300
колошника 7300 8200 11200
Высота:
полная 32350 34650 36900
полезная 29200 32200 32200
горна 3600 3900 4500
шахты 18200 20100 19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

  • плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
  • выгодное распределение встречного газового потока;
  • благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.

Составляющие доменной печи

Устройство доменной печи: схема, принцип работы и назначение - как построить своими руками Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства Доменная печь: как появилась, схема, конструкция и компоненты, как работает Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками Как сделать самостоятельно доменную печь Что такое домна и каковы процессы, происходящие в ней? Устройство и работа доменной печи Доменная печь. устройство, принцип работы и предназначение Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

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.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

  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

Основные физико-химические процессы происходящие в 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.

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

  • зона горячего дутья,
  • зона плавления (сюда входят горн и заплечики),
  • распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO,
  • шахта, где происходит восстановление Fe2O3,
  • колошник с предварительным нагревом материала,
  • загрузка шихты и кокса,
  • доменный газ,
  • зона, где находится столб материала,
  • выпуски для шлака и жидкого чугуна,
  • сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

  1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
  2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
  3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме. Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

  • в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен,
  • скип загружает в колошник шихту,
  • вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус,
  • воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна,
  • малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается,
  • большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками | greendom74.ru Доменный процесс • большая российская энциклопедия - электронная версия Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками Устройство и работа доменной печи Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками Industrialcraft 2/доменная печь Устройство и принцип работы доменных печей Industrialcraft 2/доменная печь — minecraft wiki Доменная печь: устройство, принцип работы, выплавка, производство металла Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Получение[править | править код]

Доменная печь изготовлена из восьми двойных листов кованого железа и тигля.

Ингредиенты Процесс
Двойной лист кованого железа +Тигель

Строительствоправить | править код

Высота доменной печи определяет количество руды, флюса и древесного угля, которые она может содержать, и, следовательно, максимальное количество руды, которое может быть расплавлено за один раз. Маленькая доменная печь имеет один блок высоты и требует минимум 4 огнеупорных кирпичных блока и 12 листов кованого железа. По величине максимальная доменная печь может иметь 5 блоков в высоту, и требует 20 огнеупорных кирпичных блоков и 60 листов кованого железа:

Схема постройки печи
Слой 3
Слой 2
Слой 1

Доменная печь минимального размера строится следующим образом:

  • Огнеупорные кирпичи: в двух блоках над землей создайте «трубу», окружив центральный воздушный блок со всех четырех сторон.
  • Металлические листы: Поместите листы кованого железа или металлические листы из металла более высокого уровня по бокам дымохода. Примечание: листы не должны быть размещены сверху или снизу.

Тигель: поместите тигель на землю под центральным воздушным блоком.

Блок доменной печи: Поместите блок доменной печи между дымоходом и тиглем (⇧ Shift+ПКМ) под центральным воздушным блоком.

  • Меха: Разместите Меха стороне блока доменной печи, убедившись, что сторона с отверстием обращена к доменной печи.
  • Завершение: Поместите фурму в доменную печь.
  • Расширение: доменные печи могут увеличить общую емкость хранилища, добавив до четырех дополнительных слоев к существующей конструкции. Чтобы расширить доменную печь, просто добавьте дополнительный слой к дымоходу.

Применениеправить | править код

Используется для выплавки чугуна. Для этого необходима фурма (положить в инвентарь доменной печи). Процесс выплавки следующий:

Сверху закинуть внутрь структуры равное количество древесного угля, флюса и железной руды (Лимонит, гематит или магнетит). На первом уровне структуры макс. вместимость 4, а каждый последующий уровень также увеличивает вместимость на 4. Структура максимального (5) уровня имеет вместимость на 20.

Важно: в процессе плавления руды древесный уголь будет потребляться, поэтому периодически его придется подкидывать. Можно подкинуть уголь заранее, тогда он будет потребляться по мере необходимости. Оптимальное количество — 3 штуки (проверено для структуры уровня 1-3)

Оптимальное количество — 3 штуки (проверено для структуры уровня 1-3).

  • Поджечь главный блок доменной печи при помощи воспламенителя или огнива. Текстура блока поменяется на «горящую». Работающая доменная печь
  • Домна должна нагреться до температуры «белеет до блеска». Для этого необходимо использовать меха (ПКМ по ним).

Внимание: если угля станет слишком мало, то домна просто остынет и весь процесс придется начинать заново! Допустима нехватка 1 (2 при неполной загрузке печи) ед. угля к моменту достижения нужной температуры

  • По достижении необходимой температуры и при наличии фурмы, доменная печь начнет сливать расплавленный чугун в тигель под собой, при этом будет тратиться прочность фурмы (из расчета 1 кусок руды = 1 ед. прочности)
  • Забрать чугун из тигля можно с помощью глиняных форм

Топливо для домны

Работает печь для изготовления чугуна на таком сырье как кокс, который происходит в специальных коксовых печах, где выплавляется чугун. Получают кокс из специального коксующего каменного угля. Как правило, на крупном металлургическом заводе, кокс вырабатывается в специальных коксохимических цехах, где в среднем находится по 50-70 печей или камер коксования. Все они объединяются в одну камеру.

Обогрев камеры осуществляется снаружи. Чтобы температура внутри полости печи сохранялась на уровне в 1000 оС, в пространстве между камерами требуется поддержание температуры 1400 оС. Подогрев коксовой батареи осуществляется газом, который смешивается с подогретым воздухом. При коксовании, а также в момент нагревания каменного угля до температуры в 100 оС начинается медленное испарение влаги, а далее при нагревании угля до 350 оС идет его просушивание и удаление смол.

При повышении температуры до отметки в 450 оС начинается размягчение частиц в коксующемся угле, а частички, полученные этим способом, начинают обволакивать некоксующиеся части угля, что образует сплошную массу, а впоследствии единый сплав. Чтобы сделать правильный и качественный состав требуется полное соблюдение всех этапов. Когда тепло массы достигает 480-650 оС, масса начинает выделять органические газообразные продукты сухой перегонки угля.

Если правильно пользоваться производством, то получают до 750 кокса из 1 тонны угля, а также 300м3 коксового газа и практически 35 кг каменноугольной смолы. В том числе 12 кг бензола и 3 кг аммиака. Уголь – это отличный источник тепла, который используют в частных домах для отопления.

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.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

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.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной печи

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.

Основные физико-химические процессы происходящие в доменной 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.

Современные тенденции развития доменного производства Принцип работы печи: доменной, мартеновской, конвекционной Доменная печь: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками Доменная печь. доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства Домна - это печь для выплавки чугуна Доменная печь: устройство, принцип работы, выплавка, производство металла Доменная печь — назначение, элементы и продукты производства Доменная печь Для чего нужна доменная печь? конструкция доменной печи, принцип работы и устройство Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

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.

Описание и процессы

Основная статья: Доменный процесс

Устройство доменной печи

1 Горячее дутьё 2 Зона плавления (заплечики игорн ) 3 Зона восстановления FeO (распар ) 4 Зона восстановления Fe2O3 (шахта ) 5 Зона предварительного нагрева (колошник ) 6 Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса 7 Доменный газ 8 Столб железорудных материалов, известняка и кокса 9 Выпуск шлака 10 Выпуск жидкого чугуна 11 Сбор отходящих газов

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат шахтного типа. Загрузка шихты осуществляется сверху через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

1 железная руда + известняк 2 кокс 3 лента конвейера 4 колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу 5 слой кокса 6 слои известняка, оксида железа, руды 7 горячий воздух (с температурой около 1200 °C) 8 шлак 9 жидкий передельный чугун 10 шлаковый ковш 11 чугуновоз 12 циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13 13 регенераторы (кауперы) 14 дымовая труба 15 подача воздуха в регенераторы (кауперы) 16 порошок угля 17 коксовая печь 18 резервуар для кокса 19 газоотвод для горячего колошникового газа

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит до 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Автоматизация доменного производства

Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:

  • Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
  • Загрузка шихтовых материалов.
  • Состояние верхней зоны печи (колошника)
  • Состояние шахты печи.
  • Параметры комбинированного дутья.
  • Состояние нижней зоны печи (горна)
  • Технико-экономические показатели плавки.
  • Воздухонагреватели

Похожие записи:

  1. Доменная печь
  2. 2.4 Процессы восстановления в доменной печи
  3. Железо прямого восстановления
  4. Основные процессы протекающие в доменной печи реферат

Физико-химические процессы в доменной печи

Для физико-химических превращений материалов в доменной печи основную роль играет температурный фактор (рис. 1.16).

Физико-химические процессы в доменной печи

Рисунок 1.16 – Процессы в доменной печи:

1–колошник, 2 – шахта, 3 – распар, 4 – заплечики, 5 –фурма, 6 – шлаковая летка, 7 – шлак, 8 – чугун, 9 – чугунная летка

Шихта, вносимая в печь, содержит гигроскопическую (в коксе 1-5 %), а иногда гидратную влагу и карбонаты. Гигроскопическая влага не связана с материалом химически и легко удаляется на колошнике. Гидратная влага в агломератах отсутствует и может появляться лишь при использовании руд.

Если в шихте находятся карбонаты (известняк, MnCO3, FeCО3), то они будут разлагаться по реакции: МnСO3 = МеО + СО2.

Наиболее прочный из них – известняк (СаСО3), в крупных кусках интенсивно разлагается лишь при >1000°С с поглощением тепла, поэтому присутствие известняка в шихте нежелательно. В современном производстве эта реакция осуществляется в процессе агломерации. Вывод из шихты доменной печи 1 кг известняка позволяет экономить в ней до 0,35-0,4 кг кокса (в процессе агломерации на это расходуется низкосортное и недефицитное топливо).

1.3.1 Восстановительные процессы в доменной печи

Основными физико-химическими процессами в доменной печи являются восстановительные процессы, определяющие цель доменной плавки. Для этих процессов, кроме температурных условий, решающее значение имеют свойства восстановителя и особенно, состав газовой фазы. Восстановителями оксидов железа служат СО, Н2 и С. При умеренных температурах основную восстановительную работу выполняют составляющие доменного газа – монооксид углерода и водород. Водород содержится в доменном газе в гораздо меньших количествах, чем СО, однако его роль в восстановительных процессах возрастает благодаря более быстрому взаимодействию с оксидами, чем СО, и его восстановлению по реакции СО + Н2О = СО2 + Н2.

Восстановление оксидов железа. Оксиды железа относятся к категории относительно легко восстановимых. Железорудные материалы (руды, агломераты, окатыши) начинают восстанавливаться после нагрева до 250-400°С. Восстановление Fe2О3 и Fе3О4 до чистого железа происходит последовательно, через все промежуточные оксиды. Так, Fе2О3 при температурах >570°С восстанавливается по схеме: Fе2О3→Fе3О4→FеО→Fе. Из трех реагентов-восстановителей в доменной печи (С, СО и Н2) основным (по объему восстановительной работы) является монооксид углерода. Оксид железа Fе2O3 восстанавливается СО по реакции:

Образующийся при этом магнитный оксид Fe3О4 восстанавливается до FеО:

В нижней части шахты завершается восстановление железа по реакции:

FеО + СО = Fе + СО2 + 244 кДж/кг Fе. (1.3)

Реакции (1.1) – (1.3) идут до 700-900°С. Выделяющийся при восстановлении диоксид углерода СО2 уносится вверх потоком газа через межкусковые каналы шихты.

Процесс восстановления существенно изменяется, когда шихта опускается до горизонтов с температурой 900-1000°С. В этой зоне доменной печи выделяющийся в ходе восстановления диоксид углерода СO2 начинает взаимодействовать с углеродом топлива по реакции:

СО2 + С = 2СО — 2970 кДж/кг Fе. (1.4)

Скорость протекания реакции (1.4) резко увеличивается при 1100-1200°С. Таким образом, в нижней, высокотемпературной части доменной печи после реакций восстановления (1.1) – (1.3) протекает реакция (1.4). При суммировании этих реакций для FеО получим:

еО + СО = Fе + СО2 + 244 кДж/кг Fе

СО2 + С = 2СО — 2970 кДж/кг Fе

FеО + С = Fе + СО — 2726 кДж/кг Fе (1.5)

Реакцию (1.5) называют реакцией прямого восстановления. В отличие от этой схемы, реакции (1.1) – (1.3), в которых конечным газообразным продуктом восстановления является СO2, называют непрямым или косвенным восстановлением. Эту принятую терминологию нельзя признать удачной, так как реакция (1.5) вовсе не означает, что идет прямое, непосредственное взаимодействие оксида железа и углерода кокса. Указанная реакция представляет лишь формальную запись, характеризующую конечный результат двух других последовательных реакций (1.3) и (1.4), т. е. не только косвенное, но и прямое восстановление происходит через газовую фазу (при помощи СО).

Таким образом, материал, загруженный в доменную печь, начинает восстанавливаться непрямым путем. Этот процесс продолжается до тех пор (по мере опускания шихты температура ее непрерывно повышается), пока выделяющийся в результате восстановления СО2 не начнет интенсивно взаимодействовать с углеродом твердого топлива. Реакция CO2 + C = 2CO является определяющей при переходе непрямого восстановления в прямое.

В зависимости от схемы восстановления доменную печь можно разбить на две зоны: 1) верхнюю, до горизонта с температурой

1000 0 С, в которой происходит косвенное восстановление; 2) нижнюю, в которой происходит прямое восстановление.

В современных условиях работы доменных печей индекс косвенного восстановления изменяется от 0,45 до 0,65 (45-65 %).

Часть оксидов железа восстанавливается в доменной печи водородом, основное количество которого образуется в горне печи в результате реакций разложения паров воды дутья углеродом кокса

Н2О + С = Н2 + СО — 118 МДж (1.6)

и неполного сгорания природного газа

Восстановление оксидов железа водородом происходит так же, как монооксидом углерода СО, по стадиям, от высших к низшим:

FeO + Н2 = Fe + Н2О — 496,4 кДж/кг Fe. (1.10)

Несмотря на относительно небольшое содержание водорода в доменном газе, он производит значительную восстановительную работу. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, водород, как реагент-восстановитель, характеризуется более высокой восстановительной способностью при высоких температурах (>810 0 С). Кроме того, вследствие меньшего размера молекулы по сравнению с молекулой СО водород проникает в такие мелкие поры и трещины восстанавливаемого куска рудного материала, в которые молекулы СО не могут проникнуть. Благодаря этому значительно увеличивается суммарная поверхность взаимодействия. Во-вторых, образующиеся в ходе восстановления молекулы Н2O регенерируют до водорода не только в нижней части печи в результате реакции (1.6), но и в верхней, низкотемпературной в результате взаимодействия с СО:

Таким образом, одна и та же молекула водорода по мере подъема от горна к колошнику может принять участие в восстановительном процессе несколько раз, выполняя роль посредника, передающего кислород от оксидов железа к углероду и СО.

Восстановление марганца. Почти во всех железных рудах в больших или меньших количествах присутствует марганец. Иногда для получения чугунов с повышенным содержанием марганца в состав доменной шихты вводят марганцевую руду. В соответствии с принципом последовательных превращений оксиды марганца восстанавливаются последовательно от высших к низшим: МnО2→Мn2О3→Мn3О4→МnО→Мn. Высшие оксиды марганца в доменной печи восстанавливаются полностью под действием СО, т. е. непрямым путем:

Mn3О4 + СО = 3МnО + СО2 + 316 кДж/кг Мn. (1.14)

Оксид марганца МnО восстанавливается значительно труднее, чем оксид железа FeO, поэтому МnО восстанавливается только прямым путем и то частично. В связи с тем, что заключительная стадия восстановления марганца – это эндотермическая реакция прямого восстановления

МпО + С = Мп + СО — 5260 кДж/кг Мn, (1.15)

то количество восстанавливающегося марганца существенно возрастает с повышением температуры. Таким образом, непременным условием получения высокомарганцовистых чугунов является (наряду с достаточным количеством марганца в шихте) повышение температуры в доменной печи, что достигается увеличением удельного расхода кокса или повышением температуры дутья. Поскольку восстановление марганца заканчивается в области высоких температур, где присутствуют жидкие чугун и шлак, то на степень восстановления марганца в значительной степени влияет шлаковый режим доменной плавки (химический состав и относительное количество шлака). При выплавке обычных передельных чугунов степень восстановления марганца составляет 50-70%. При выплавке чугунов, требующих высоких температур в печи, степень восстановления марганца может достигать >80%.

Восстановление кремния. Кремний в виде оксида SiO2 присутствует во всех компонентах доменной шихты (в пустой породе рудного материала, в золе кокса, в известняке). Кремний относится к трудновосстановимым элементам. В доменной печи кремний восстанавливается в небольших количествах и только прямым путем

SiO2 + 2С = Si + 2CO — 22,7 мДж/кг Si. (1.16)

Возможность восстановления SiO2 в доменной печи обусловлена тем, что восстановителем является углерод, растворенный в железе, а восстановленный кремний переходит в металл. Реакция протекает на границе раздела металл-шлак (в основном при движении капель чугуна через слой шлака).

Как и для марганца, важнейшим условием увеличения степени восстановления кремния является высокая температура. На полноту восстановления кремния в определенной степени влияет и шлаковый режим. Однако в связи с тем, что в шлаке содержится большое количество SiO2 (35-50%), влияние основности и относительного выхода шлака на восстановимость кремния на практике невелико. Чем меньше количество шлака, тем легче (с меньшим дополнительным расходом кокса) можно повысить температуру в горне печи и увеличить количество восстанавливающегося кремния. При выплавке обычных передельных чугунов степень восстановления кремния составляет

5%. При получении литейных чугунов степень восстановления может достигать 20-26%.

Восстановление фосфора. Фосфор в шихтовых материалах находится в виде соединений (СаО)3 . Р2О5 и (FeО)3 . Р2О5. Термодинамические расчеты показывают, что эти соединения обладают достаточно высокой химической прочностью и при температурах, достигаемых в доменной печи, фосфор из этих соединений не должен восстанавливаться даже прямым путем:

Са3 (РО4)2 + 5С = 3СаО + 2Р + 5CO — 26,7 МДж/кг Р, (1.17)

Однако в действительности фосфор в доменной печи воcстанавливается полностью, что обусловлено воздействием двух основных факторов: наличием восстановленного железа и достаточно высоким (по сравнению с количеством фосфора) содержанием SiO2 в шлаке. Восстанавливающийся фосфор растворяется в чугуне, а образующийся по реакции (1.17) оксид кальция взаимодействует с SiO2 шлака. Оба эти процесса исключают накопление продуктов реакции в зоне ее протекания, вследствие чего реакция восстановления фосфора в доменной печи практически необратима. Фосфор, восстановленный в твердой фазе, в виде пара переходит в газ, и основное его количество в верхних горизонтах печи адсорбируется металлическим железом или FeO и вновь возвращается в высокотемпературную зону.

Таким образом, условия доменной плавки не позволяют удалить фосфор: почти весь фосфор, содержащийся в шихте, восстанавливается и полностью переходит в чугун. Единственным способом получения малофосфористых чугунов является использование чистых по фосфору шихтовых материалов.

Поведение других элементов в доменной печи. Поведение других элементов в доменной плавке следующее: 1) полностью восстанавливаются и переходят в чугун никель, медь, свинец, мышьяк, кобальт; 2) частично восстанавливаются хром (80-90%), ванадий (

80 %), титан (3-5%); 3) не восстанавливаются и полностью переходят в шлак оксиды кальция, магния, алюминия.

Цинк в нижней части доменной печи восстанавливается, испаряется и уносится потоком газа вверх. В верхней части печи, при более низких температурах цинк окисляется диоксидом углерода СO2, содержащимся в газе, частично в виде дисперсной пыли уносится из печи с газом, частично проникает через швы и трещины в огнеупорную кладку. Оставшаяся часть осаждается на кусках шихты и опускается вниз, где оксид цинка восстанавливается вновь.

1.3.2 Процессы десульфурации чугуна

[FeS] + (CaO) = (FeO) + (CaS). (1.18)

Из реакции (1.18) видно, что с повышением основности шлака увеличивается количество серы, удаляемой из металла. По реакции (1.18) происходит также удаление серы из металла в сталеплавильных процессах (в мартеновских печах, конвертерах). Однако в сталеплавильных процессах десульфурация заканчивается на стадии, соответствующей реакции (1.18), а в доменной печи благодаря сильно восстановительной атмосфере образовавшийся оксид железа FeO восстанавливается прямым путем FeO + C = Fe + CO. Конечная реакция процесса десульфурации в доменной печи имеет вид:

[FeS] + (CaO) + С = [Fe] + (CaS) + CO — 5980 кДж/кг S. (1.19)

В связи с тем, что реакция (1.19) эндотермична, то повышение температуры в горне увеличивает не только скорость процесса десульфурации, но и полноту протекания реакции. Отличие реакции (1.18) от реакции (1.19) заключается в том, что в продуктах взаимодействия реакции (1.19) отсутствует FeO, вследствие чего положение равновесия реакции (1.19) сдвинуто вправо, в сторону увеличения количества серы в шлаке, значительно больше, чем в реакции (1.18). Таким образом, в доменных печах благодаря восстановительной атмосфере процесс десульфурации металла протекает полнее, чем в сталеплавильных, несмотря на более высокую температуру и основность шлака в последних.

В последние годы используют способы внедоменной десульфурации чугуна. Сущность всех этих способов заключается в проведении доменной плавки нa шлаках пониженной основности и при невысоких температурах, благодаря чему удается существенно снизить удельный расход кокса. Полученный при этом сернистый чугун подвергают обработке после выпуска из печи либо прямо в желобе, либо в чугуновозных ковшах каким-то химическим реагентом, активно поглощающим серу из металла и переводящим ее в шлак. В качестве таких реагентов-десульфураторов используют порошкообразную обожженную известь (СаО), карбид кальция (СаС2), соду (Na23). Наиболее эффективной добавкой оказался гранулированный магний. Все эти соединения при взаимодействии с серой чугуна дают переходящие в шлак соединения CaS, Na2S или MgS.

1.3.3 Образование чугуна и шлака

В твердом состоянии восстанавливающееся в доменной печи железо в виде губки частично науглероживается по реакциям:

Первые две реакции происходят за счет СО при 450-600°С до содержаний в губке 1% [C], третья – за счет углерода при более высоких температурах. Углерод понижает температуру плавления железа и, начиная с 1200°С, происходит оплавление частиц железа и образование капель чугуна. Начиная с этого момента, интенсивно развиваются процессы прямого восстановления SiO2, MnO, Р2О5 и других примесей. Достигая горна, капли науглероживаются до 3,7-4,2% [С], в них переходят также восстанавливающиеся фосфор, марганец и кремний.

Кокс не изменяет своего физического состояния. Расходуется только часть углерода кокса на прямое восстановление FeO и других составляющих шлака и науглероживание восстановленного железа.

Появление первых порций жидкого шлака (расплава невосстановленных оксидов) предшествует началу образования чугуна. Горизонт образования первичного шлака не является постоянным и зависит от состава шихты и распределения поднимающихся газов. До 1100 0 С происходит спекание железосодержащих материалов с образованием химических соединений, например 2FeO . SiO2, при 1100-1150 0 С происходит размягчение кусков и их деформация. После образования первичного шлака в нем растворяются все большие количества оксидов SiO2, А12О3, СаО и MgO, а содержания восстанавливающихся оксидов FeO и МnО уменьшаются. На горизонте фурм в состав шлака входит зола сгоревшего кокса и извлекается сера чугуна.

Свойства доменного шлака влияют на ход доменного процесса и технико-экономические показатели доменной плавки. Шлак является регулятором химического состава чугунa.

Такие физические свойства шлака как температура плавления и вязкость определяют температурный режим процесса, газопроницаемость доменной шихты в нижней части печи, условия выпуска металла и шлака из горна. Температура плавления шлака и его вязкость влияют и на состав чугуна. Основную часть доменных шлаков (>90%) составляют три компонента: SiО2, Аl2О3, СаО. Соотношение этих трех составляющих определяет физико-химические свойства доменного шлака. Для характеристики состава шлака используют два показателя: основность шлака и содержание А12О3. Область типичных доменных шлаков ограничивается следующими пределами: CaO/SiO2 = 0,8÷1,3 и 5-20% А12О3, так как в этой области шлаки имеют минимальные температуры плавления и вязкости.

1.3.4 Процессы горения топлива и образования доменного газа

При взаимодействии кокса с кислородом дутья у фурм происходит циркуляция кусков, уменьшение их размеров и полный переход в газообразные продукты и золу. Изменением размеров зон циркуляции и горения можно регулировать движение и обработку используемых в печи материалов.

Несмотря на то, что горение топлива сосредоточено в небольших по объему очагах (длиной 1,25-1,8 м), расположенных в верхней части горна – перед фурмами, этот процесс играет большую роль в доменной плавке по следующим причинам:

1) выделяющееся при горении тепло обеспечивает протекание химических реакций с высокой скоростью, а также плавление чугуна и шлака;

2) монооксид углерода СО, образующийся при сгорании углерода кокса, является основным восстановителем в доменной печи;

3) горение кокса является основным процессом, в результате которого в нижней части доменной печи образуется свободное пространство (благодаря превращению кусков твердого топлива в газ); этот процесс обеспечивает опускание столба шихты, т. е. создает необходимые условия непрерывности доменной плавки.

Зона горения у фурм имеет сложную конфигурацию (рис 1.17).

Физико-химические процессы в доменной печи

Рисунок 1.17 – Схема очага горения фурменной зоны:

I – зона горения углерода, II – зона окисления углерода
Она состоит из очагов горения у каждой фурмы, граничащих и смыкающихся друг с другом. При воздушном дутье кислород расходуется на расстоянии 0,8-1,2 м от фурмы, превращаясь в СО2 и СО по реакциям С + О2 = СО2; 2С + О2 = 2СО; 2СО + О2= 2СО2. Далее на расстоянии от фурмы 1,2-1,8 м СО2 расходуется с образованием СО: СО2 + С = 2СО.

В области максимального содержания СО2 температура газов в горне достигает 1900 0 С (данная точка носит название фокуса горения), при продвижении к оси печи вследствие эндотермических реакций она понижается до 1200-1300 °С. Состав газовой фазы в области горения кокса у фурм является окислительным, во всем остальном объеме печи он восстановительный.

При продвижении образовавшегося в горне печи газа вверх наблюдается изменение его состава, наиболее сильное в зоне шахте. В ее середине содержание СО2 возрастает от 3 до 8-12, а вблизи колошника – до 16%, и в основном в результате развития реакций косвенного восстановления. Содержание СО в газе изменяется от 35-45 в горне до 23-30% на выходе из печи, содержание N2 изменяется незначительно (от 55 до 58%), при обогащении дутья кислородом оно соответственно ниже. Колошниковый газ выходит из печи с температурой 150-300 0 С.

Основные части доменной печи

Доменная печь предназначена для получения чугуна из железной руды. Производительность определяется размерами печи. Максимальная мощность наблюдается при объеме печей шахтного типа 2-5 тыс. куб. м. Их диаметр составляет 11-16 м, высота – 32-37 м.

Шахтная печь состоит из следующих элементов:
• колошника;
• шахты;
• распара;
• заплечиков;
• горна;
• лещади.

Колошник – один из элементов рабочего пространства, на котором предусматривается определенный уровень материалов, распределяющихся по сечению шахты.

Шахта – цилиндрическая часть домны, где поддерживается температура, достаточная для плавления шихты. В этой же части печи происходит восстановление железа.

Распар – наиболее широкий участок конструкции, предназначенный для основных процессов плавления. Ниже находятся заплечики, способствующие перегреву и перемещению расплава и шлака на следующий участок конструкции.

Горн размещается над лещадью, которая представляет собой кладку, выполненную с применением шамотного кирпича. Горн является той частью печи, где собираются чугун и шлак. Между заплечиками и горном находятся фурмы для подачи горячего дутья (воздуха, обогащенного кислородом) и природного газа.

Шихта поддается с помощью скипового подъемника и попадает в приемную воронку. Состав шихты представлен известняком, коксом, офлюсованным агломератом и рудой. Возможно добавление окатышей.
Конусы колошника (большой и малый) работают поочередно, передавая смесь материалов в шахту. В процессе работы домны происходит постепенное поступление шихты. Нагрев осуществляется в результате горения кокса, сопровождающегося выделением тепла.

Температура горнового газа находится в пределах от 1900 до 2100 градусов Цельсия. В его состав входят N2, H2 и CO. При движении в слое шихты он не только способствует ее нагреву, но и запускает процессы восстановления железа. Высокая температура газа достигается за счет высокой температуры воздуха, находящегося в воздухонагревателях (1000-2000 градусов).
Газ температурой 250 – 300 градусов, поступающий из печи, колошниковый, после удаления пыли – доменный. Низшая теплота сгорания доменного газа соответствует 3,5 – 5,5 МДж/м 3 . Состав бывает различным, определяется в результате подачи природного газа и обогащения дутья кислородом, представлен такими веществами:

В основном газ необходим для придания определенной температуры насадкам доменных воздухонагревателей. В сочетании с природным или коксовым газом его применяют для различных печей, в т. ч. термических и нагревательных.
Поступившее в нижнюю часть домны железо подвергается плавлению и накапливается в горне в виде чугуна. Жидкотекучий шлак образуется из окислов кремния, марганца, железа, соединенных с известью, и остается на поверхности чугуна, т. к. имеет меньшую плотность.

Периодически чугун и шлак выходят через соответствующие летки – чугунную, шлаковую. В случаях, когда количество шлака незначительное, используется только чугунная летка. Отделение шлака происходит на разливочной площадке. Температура чугуна в жидком виде находится в пределах от 1420 до 1520 градусов.

Высокая производительность доменной печи достигается за счет наличия мощных воздухонагревателей, являющихся теплообменниками регенеративного типа. Нередко воздухонагреватели домны называют кауперами в честь их создателя.
Каупер – вертикально расположенный кожух в форме цилиндра, созданный из листовой стали и насадки из огнеупорного кирпича. Камера горения воздухонагревателя, а именно – ее нижняя часть, состоит из горелки и воздухопровода горячего дутья. В поднасадочном пространстве применены клапаны, что позволило обеспечить соединение с отводом к дымовому борову и воздухопроводом холодного дутья.

Современный вариант шахтной печи изготавливается с четырьмя кауперами, работающими попеременно: нагрев насадки одного из двух кауперов происходит за счет поступления нагретых до высокой температуры дымовых газов, через третий каупер проникает нагреваемый воздух. Четвертый каупер является резервным.

Продолжительность дутья составляет 50-90 минут, затем охлажденный каупер нагревается, дутье осуществляется в следующем наиболее горячем каупере. При разогреве работает горелка, дымовые газы без препятствий проникают в дымовой боров через открытый клапан. В это время клапаны, находящиеся на воздухопроводах горячего и холодного дутья, закрыты.
В результате сжигания топлива образуются продукты горения, которые перемещаются вверх и поступают из камеры горения в подкупольное пространство, затем опускаются и нагревают насадку. Только после этого продукты топлива, имеющие температуру 250-400 градусов, поступают в дымовую трубу через дымовой клапан.

Во время дутья происходит обратный процесс: дымовой клапан закрыт, горелка не работает, при этом клапаны, установленные на воздухопроводах горячего, холодного дутья, открыты. Холодное дутье в поднасадочное пространство подается под давлением 3,5-4 ат, затем перемещается через разогретую насадку и в нагретом виде через камеру горения проходит в воздухопровод горячего дутья, откуда подается в печь.

В определенных условиях могут происходить увлажнение дутья и обогащение азотом или кислородом. При использовании азота удается экономно расходовать кокс и контролировать процесс плавления в доменной печи. Экономия кокса возможна и в результате обогащения дутья кислородом до 35-40 % при сочетании с природным газом. Путем повышения влажности до 3-5 % удается получить более высокую температуру нагрева дутья в каупере. Такие результаты достигаются благодаря интенсификации лучистого теплообмена в насадке.

Высота кауперов составляет около 30-35 м, диаметр – не более 9 м. Верхнюю и нижнюю части насадки выполняют из динасового или высокоглиноземистого кирпича и огнеупорного соответственно. Из насадочного кирпича, имеющего толщину 40 мм, создают ячейки 4545, 13045, 110110 мм. В доменных печах применяются и другие насадки, а именно – насадки, состоящие из блоков с шестью гранями, с горизонтальными проходами и круглыми ячейками. Также используются насадки, основа которых – высокоглиноземистые шарики.

На каждый кубический метр объема кирпичной насадки предусмотрена примерная поверхность нагрева 22-25 кв. м. Объем домны в 1-2 раза больше объема насадки каупера. Например, при объеме печи 3000 куб. м объем каупера составит около 2000 куб. м (3000/1,5).

Самыми распространенными являются кауперы, оснащенные встроенной камерой горения. Среди их основных недостатков – чрезмерный нагрев свода, деформация камеры горения в результате долгой работы печи. Горелка каупера бывает выносной, также камера горения может располагаться под куполом. При наличии выносной горелки обеспечиваются высокая стойкость и удобство, но цена таких устройств наиболее высокая. Кауперы, оснащенные подкупольной камерой горения, самые дешевые, но процесс эксплуатации более сложный, т. к. горелка и клапаны расположены достаточно высоко.

В процессе дутья температура, до которой нагревается воздух (1350-1400 градусов), постепенно уменьшается и находится в пределах от 1050 до 1200 градусов. При использовании домны, работающей стационарно, таких перепадов избегают путем регулирования температуры. Нужные показатели появляются в результате добавления холодного воздуха, поступившего из воздухопровода холодного дутья. Снижается температура дутья до 1000-2000 градусов, а вместе с ней и содержание холодного воздуха в смеси.

Ориентировочный материальный баланс получения чугуна в домне

Рассмотрим тепловой баланс выплавки 1 кг чугуна. При составлении балансов учитываются окатыши, агломерат, чугун, шлак и доменный газ.

Окатыши: оксид железа (III) – 81 %, диоксид кремния – 7 %, оксид кальция – 5 %, оксид железа (II) – 4 %, оксид алюминия и оксид магния – 1 %, оксид марганца – 0,3 %, оксид фосфора – около 0,09 %, сера – около 0,03 %.

Агломерат: оксид железа (III) – 63 %, оксид железа (II) – 16 %, оксид кальция – 10 %, диоксид кремния – 7 %, оксид алюминия – 2 %, оксид магния и оксид марганца – 1 %, оксид фосфора – около 0,25 %, сера – около 0,01 %.

Чугун: железо – 94,2 %, углерод – 4,5 %, марганец – 0,7 %, кремний – 0,6 %, сера – около 0,03 %.

Шлак: оксид кальция – 43 %, диоксид кремния – 36 %, оксид алюминия – 10 %, оксид магния – 7 %, оксид марганца – 2 %, оксид железа (II) и сера – 1 %.

Доменный газ: азот – 44 %, окись углерода – 25,2 %, углекислый газ – 18 %, водород – 12,5 %, метан – 0,3 %.

Произведем анализ расхода топлива в результате применения офлюсованного агломерата. Затраты топлива в шахтной печи определяются, исходя из расхода природного газа и кокса (510-560 кг у.т./т сплава), в сумме с расходом газа, направленного на отопление воздухонагревателя (90-100 кг у.т./т сплава), за исключением выхода доменного газа (170-210 кг у.т./т сплава). В результате общий расход выглядит следующим образом: 535 + 95 – 190 = 440 (кг у. т./т сплава).

Учитывая то, что на производство кокса и агломерата уже ушло определенное количество топлива (около 430-490 кг на 1 т сплава и 1200-1800 кг на 1 т сплава соответственно), общий расход первичного топлива, необходимого для получения тонны сплава, составляет: 440 + 40 + 170 = 650 (кг у.т./т), из которых 170 и 40 кг у.т./т, пересчитанные на тонну сплава, затрачиваются на производство агломерата и кокса.

Производительность домны оценивают по коэффициенту использования полезного объема (КИПО). Показатель рассчитывают как отношение полезного объема конструкции к выплавке чугуна в течение 24 часов. Для современных печей нормой является показатель 0,43-0,75 куб. м сут./т. Чем ниже КИПО, тем эффективнее используется печь.
Логичнее рассматривать показатель как отношение производительности к единице объема. Удобнее применять показатель удельной производительности домны (Пу = 1/ КИПО), значение которого составляет 1,3-2,3 т (куб. м/сут.).

Экономия топлива возможна при соблюдении таких рекомендаций:

Физико-химические процессы в доменной печи

• повышение давления газа на колошнике до 1,5-2 атм (за счет уменьшения объема газов удается сократить удаление колошниковой пыли или увеличить расход дутья);
• применение пылеугольного топлива в горне для экономии около 0,8 кг кокса на килограмм пылеугольного топлива;
• повышение температуры, до которой нагревается воздух в кауперах, для уменьшения расхода кокса;
• применение теплоты отходящих газов кауперов с целью повысить температуру воздуха и доменного газа до их подачи в камеру горения;
• подача нагретых восстановительных газов таким же образом, как в печах металлизации (удается снизить расход кокса, возможна экономия до 20 % топлива);
• применение физической теплоты огненно-жидких шлаков (решение данной проблемы является перспективным, но пока что не реализовано по причине периодического выхода шлаков).

Современные доменные печи имеют большие размеры — общая высота их достигает 70 м,объем — 2700 м 2 и более, а производительность — более 5000 тчугуна в сутки.

Рис 1. Схема типовой доменной печи (вертикальный разрез):

1 – малый конус, 2 – большой конус, 3 – газоотводные трубы 4 – флюс, 5- кокс, 6 – руда, 7 – кожух, 8 – капли чугуна 9-капли шлака, 10 — броня, 11 – шлаковая летка, 12 -желоб для выпуска шлака, 13 – лещадь, 14-желоб для выпуска чугуна, 15 – чугунная летка, 16 — жидкий шлак, 17 — фурмы, 18-кольцевой воздухопровод, 19 – опорное кольцо, 20 — огнеупорная кладка

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа, состоящую из колошника I (рис 1.), шахты II , распара III, заплечиков IV и горна V.

В колошник — верхнюю цилиндрическую часть печи — при помощи засыпного аппарата загружают шихтовые материалы(кокс, агломерат и частично руду с флюсом), называемые шихтой; там же находится загрузочно-распределительное устройство, обеспечивающее правильное распределение материалов шихты в печи и предотвращающее утечку газов. Это устройство бывает различной конструкции. Наиболее распространенная конструкция засыпного аппарата состоит из малого конуса 1 (см. рис. 1) и большого конуса 2. Конусный метод загрузки обеспечивает такое распределение материалов в печи, при котором более крупные куски шихты попадают к центру печи, а более мелкие располагаются ближе к стенкам. При этом получается наиболее полный охват газами всей шихты. Обычно газы стремятся пройти у стенок печи, значительно меньшее количество их проходит через центр. Создавая более плотный слой материалов у стенок и менее плотный — в центре, добиваются равномерного прохождения газов по всему сечению печи, что способствует более полному восстановлению руды.

К колошнику прикреплены газоотводные трубы, через которые отводят колошниковый газ. Температура в колошнике — от 150 до 300 ° С.

Шахта II имеет форму усеченного конуса, расширяющегося книзу. Это самая большая часть печи. В шахте происходят высушивание руды, выделение химически связанной воды, растрескивание руды и начинается восстановление ее окислов. Температура в шахте на разной высоте от 350 до 1200° С.

Распар III имеет цилиндрическую форму и является самой широкой частью доменной печи. В распаре начинаются шлакообразование и плавление металла. Температура в этой зоне около 1400° С и выше.

Заплечики IV имеют форму усеченного конуса, сужающегося книзу. В них происходит дальнейшее расплавление металла и шлака. Температура достигает 1600—1800—1900° С.

В верхней части горна V расположены фурмы 17 — устройство для вдувания в печь горячего воздуха, обеспечивающего горение топлива. Фурмы расположены по окружности горна. У доменных печей их бывает шестнадцать и больше.

Воздух в фурмы попадает из кольцевого воздухопровода 18. В верхней части горна расположено отверстие для выпуска чугуна — чугунная летка 15. Выше чугунной летки устроена шлаковая летка 12 для выпуска шлака. Температура в горне достигает 1800° С. На дне горна, называемом лещадью (13), скапливаются жидкий чугун и шлак. чугун выпускают из печи периодически (6—8 раз в сутки). Вместе с чугуном из печи вытекает шлак, который называют нижним. Верхним называют шлак, который выпускают через шлаковые летки. Основанием печи является тяжелый железобетонный фундамент. Шахта укреплена на колоннах, связанных с фундаментом.

Вспомогательные устройства доменных печей должны быть надежны в работе для бесперебойного обслуживания печей в течение 5—7 лет. К их числу относятся: подъемные и загрузочные механизмы, литейные дворы и поддоменники, воздухонагреватели, воздуходувные машины и газоочистители.

Воздухонагреватели (рис. 2) предназначены для нагрева поступающего в доменную печь воздуха с целью ускорения процесса плавки путем получения в горне высокой температуры при меньшем расходе топлива.

Действие воздухонагревателя (см. рис. 2) следующее. Нагрев производится сжиганием доменного газа, поступающего в горелку 5, где газ смешивается с воздухом и сгорает.

Пламя поднимается по камере 1, проходит через каналы кирпичной насадки, раскаляет ее и выпускается через дымовую трубу 3.

После нагрева насадки

до 1500° С через устройство 4 вводят наружный воздух. Проходя через насадку, он нагревается до 1000 – 1200° и поступает в доменную печь.

Физико-химические процессы в доменной печи

Рис. 2. Воздухонагреватель:1 — вертикальная камера, 2— насад, ка из огнеупорного кирпича, 3— дымовая труба, 4— устройство для нагнетания холодного воздуха, 5— газовая горелка, 6— выход нагретого воздуха

Источник:
Н.Н. Остапенко, Н.Н Крапивницкий «Технология металлов» М 1970

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

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Физико-химические процессы в доменной 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

Рабочее пространство печи включает:

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

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.

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

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.

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

Физико-химические процессы в 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

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

Выделяют такие операции:

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

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

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

Физико-химические процессы в доменной печи

В зависимости от состава и способа переработки различают:

  • мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
  • бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
  • томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

  • Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
  • Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
  • Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

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

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Доменный (колошниковый газ)

Физико-химические процессы в доменной печи

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.

Похожие записи:

  1. Доменный процесс получения чугуна | Металлургический портал
  2. Понятие о технологическом процессе производства. Технологический процесс
  3. Как получают сжатый воздух. Сжатый воздух как он есть…. Применение сжатого воздуха
  4. Что такое обратимая реакция.

Источник https://serkits.ru/domennyj-process/osnovnye-fiziko-himicheskie-processy-proishodyashhie-v-domennoj-pechi/

Источник https://volst.ru/domennoe-proizvodstvo/fiziko-himicheskie-processy-v-domennoj-pechi/

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *