Материалы для доменного производства чугуна.

Железные руды — виды, месторождения. Доменный процесс

Для выплавки чугуна нужны железная руда, флюсы и топливо.

Железные руды

Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23—72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.

Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe₂O₃-3H₂O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.

Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe₂O₃. Руда красного цвета, содержание железа 55—60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.

Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe₃0₄. Руда черного цвета, содержание железа 45—70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале — в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.

Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO₃. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения

Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке:

хромиты содержат до 37,5% окиси хрома и применяются для выплавки феррохрома, а также в качестве огнеупорного материала; месторождения этих руд находятся на Урале и в Казахстане;

Читать статью Роль флюсов в металлургии: применение и виды, доменный процесс в металлургии

хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35—45% железа; 1,3—1,5% хрома и 0,3—0,5% никеля;

титаномагнетиты, содержащие 42—48% железа; 0,3—0,4/о ванадия и 4,5—13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.

Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28— 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48—52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.

В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.

Флюсы

Флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO₃). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы — кварциты.

Топливо

В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг [23 520 кдж/кг], поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950—1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.

Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50—70 узких длинных камер емкостью 18—20 мв каждой из них выжигается 12—16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12—15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750—800 кг кокса и 300—350 м 3 высококалорийного газа.

Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5—0,6% серы и 12—13,5% золы.

Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л 3 , т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.

Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.

Огнеупорные материалы

Эти материалы в металлургии используют при постройке плавильных и нагревательных печей, для футеровки ковшей, желобов и других приспособлений, необходимых при разливке металла, а также для всех устройств, подверженных действию высокой температуры. Огнеупорные материалы должны выдерживать высокие температуры; иметь механическую прочность и сопротивление истираемости; устойчивость при резких изменениях температуры без образования трещин и разрушения; химическую стойкость, т. е. сопротивляемость действию жидкого расплавленного металла, шлака и дымовых газов. По химическому составу огнеупорные материалы разделяются на кислые, полукислые, основные и нейтральные, что определяет их свойства и области применения.

Читать статью Основные физико-химические процессы, происходящие в доменной печи

К кислым огнеупорам относятся динас и кварц. динас (светло-желтого цвета) содержит 90—95% кремнезема (Si0₂). Огнеупорность его 1690-1730° С.

Полукислые огнеупоры изготовляют из кварцевых пород (кварца, песка, кварцита и др.). Содержание кремнезема обычно 70—80%. Применяют полукйслые изделия вместо динаса в менее ответственных частях кладки, для футеровки вагранок и других печей.

К основным огнеупорам относятся магнезит, доломит и хромомагнезит. Магнезит — очень тугоплавкий огнеупор (коричневого цвета), его Огнеупорность 2000—2400° С. доломит обладает огнеупорностью 1900—2000° С. Магнезит и доломит широко применяют для футеровки плавильных и нагревательных печей. Хромомагнезитовый кирпич изготовляют из хромистого железняка и магнезита. Огнеупорность хромомагнезита 2000° С.

К нейтральным огнеупорным материалам относятся шамот и хромистый железняк. шамот получают из огнеупорных глин путем обжига. Огнеупорность его 1600—1700° С.

Подготовка руд к плавке. Добытые из земных недр руды предварительно подготовляют к плавке: дробят механическими методами на более или менее равномерные куски, сортируют, а также обжигают и обогащают. Это особенно необходимо при современном уровне развития доменной техники, когда газопроницаемость, устойчивый ход и, следовательно, показатели работы печей большого объема зависят от крупности, прочности, равномерности состава и от содержания железа в шихтовых материалах.

Железные руды — виды, месторождения. Доменный процесс

Доменный процесс заключается в выплавке чугуна из железных руд в доменных печах.

Для осуществления доменного процесса нужно иметь в необходимых количествах:

подготовленные к плавке железные руды,

Руда — это горная порода, содержащая металл; обычно в руде содержатся металлы в таком количестве, которое позволяет экономически выгодно извлекать металл из руды.

Железные руды представляют собой главным образом окислы железа, соединенные с пустой породой.

Пустой породойназывается естественное минеральное соединение, не содержащее железа, например кремнезем (SiO₂), глинозем (Аl₂O₃) и др.

Для доменного процесса используются руды, в которых содержание железа превышает 25—30%.

В зависимости от химического состава железные руды подразделяются на следующие группы:

Магнитный железняк

Магнитный железняк (магнетит), представляющий собой магнитную окись железа Fe₃O₁. В чистом виде магнетит содержит 72,4% железа и 27,6% кислорода и обладает магнитными свойствами.

Читать статью Восстановление оксидов железа в доменной печи — Студопедия

Наиболее мощным месторождением магнитного железняка является Магнитогорское месторождение, в котором содержание железа доходит до 62%.

В 1940 г. добыча магнитогорской руды составляла 22,5% от общей добычи руды в СССР.

Красный железняк

Красный железняк (гематит) — безводная окись железа (Fe₂O₃). В химически чистом виде гематит содержит 70% железа и 30% кислорода.

Наиболее крупным в СССР месторождением красных железняков (гематитов) является Криворожское месторождение. В переплавку направляются руды, содержащие 40—60% железа.

Бурый железняк

Бурый железняк (лимонит) — водная окись железа (2Fe₂O₃ * Н₂O). В чистом виде лимонит содержит 59,88% железа и 14,43% гидратной воды.

Наиболее крупным месторождением бурых железняков является Керченское месторождение, содержание железа в котором составляет 32,36%.

Руды этого месторождения отличаются также высоким содержанием фосфора (от 0,4 до 1,3%) и присутствием мышьяка от 0,05 до 0,2%.

Содержание марганца в этих рудах доходит до 11% (в среднем 1,5%).

Шпатовые железняки

Шпатовые железняки (сидериты) FeCO3. В чистом виде сидерит содержит 48,3% железа и 37,9% СO₂.

Крупное месторождение шпатовых железняков находится на Южном Урале вблизи Бакальского месторождения бурых железняков.

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС

ДО́МЕННЫЙ ПРОЦЕ́СС, по­лу­че­ние чу­гу­на из же­ле­зо­руд­ных ма­те­риа­лов в до­мен­ной пе­чи. В ос­но­ве Д. п. ле­жит прин­цип про­ти­во­то­ка: за­гру­жае­мая в верх­нюю часть пе­чи (ко­лош­ник) ис­ход­ная ших­та (же­ле­зо­руд­ный ма­те­ри­ал, твёр­дое то­п­ли­во, флюс) дви­жет­ся вниз, а га­зо­об­раз­ные про­дук­ты, об­ра­зо­вав­шие­ся в ниж­ней час­ти пе­чи (гор­не) при сжи­га­нии то­п­ли­ва в по­то­ке ду­тья (на­гре­тый воз­дух или воз­дух, обо­га­щён­ный ки­сло­ро­дом ли­бо во­дя­ным па­ром), – вверх. Про­ти­во­ток спо­соб­ст­ву­ет эф­фек­тив­но­му про­те­ка­нию мас­со- и те­п­ло­об­мен­ных про­цес­сов, что обу­слов­ли­ва­ет вы­со­кие по­ка­за­те­ли ис­поль­зо­ва­ния ре­сур­сов в до­мен­ных пе­чах: по­лез­ное ис­поль­зо­ва­ние те­п­ло­ты со­став­ля­ет 80–90%, сте­пень из­вле­че­ния же­ле­за – 99,5–99,8%. Для обес­пе­че­ния те­п­ло­вых по­треб­но­стей про­цес­са ис­поль­зу­ет­ся зна­чит. из­бы­ток кок­са, ко­то­рый обу­слов­ли­ва­ет по­вы­шен­ное со­дер­жа­ние уг­ле­ро­да в чу­гу­не (3,4–5,2% С по мас­се).

Похожие записи:

1. Диссертация на тему «Математическое моделирование сложных технологических процессов доменного производства методами нелинейной динамики», скачать бесплатно автореферат по специальности ВАК РФ 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
2. Доменный процесс — Знаешь как
3. Какую роль играет флюс в доменном процессе — Все о сварке
4. Восстановление кремния, марганца, фосфора и прочих элементов » Все о металлургии

Материалы для доменного производства чугуна.

До́менная печь, до́мна — большая металлургическая вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её капитального ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

• 1 Этимология
• 2 История
• 3 Описание и процессы
  • 3.1 Автоматизация доменного производства

  Этимология

  Слово «домна» образовано от старославянского «дмение» — дутьё. На других языках: англ. blast furnace — дутьевая печь, нем. Hochofen — высокая печь, фр. haut fourneau — высокая печь. кит. 高炉 (gāolú) — высокая печь, хорв. Visoka peć — высокая печь.

  Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов «домница» и «доменная печь»: в домнице получали (в виде кусков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слова «сырое», то есть неподогретое дутьё) железа, а в доменной печи — жидкий чугун.

  История

  

  Выплавка чугуна. Иллюстрация из китайской энциклопедии 1637 года

  

  Доменная печь XVII века

  

  Вертикальные разрезы печи Рашета (3, 4) в сравнении с бляуофеном (1), древесноугольной (2) и коксовой (5) домнами [1]

  Первые доменные печи появились в Китае к IV веку [2] . В эпоху Средневековья в Европе применялся т. н. каталонский горн, который позволил механизировать кузнечные меха за счёт гидравлического привода, что способствовало увеличению температуры плавки. Однако его ещё нельзя было назвать доменной печью ввиду особых габаритов (кубический метр).

  Непосредственным предшественником доменной печи был штюкофен (кричные печи) [3] , которые появились в XIII веке в Штирии. Штукофен имел форму конуса высотой 3,5 метра и имел два отверстия: для нагнетания воздуха (фурма) и вытаскивания крицы [4] .

  В Европе доменные печи появились в Вестфалии во второй половине XV века [5] , в Англии доменные печи начали строить в 1490-х годах, в будущих США — в 1619 г [6] . Это стало возможным благодаря механизации. Высота домны достигала 5 метров. В России первая доменная печь появилась в 1630 году (Тула, Виниус). В 1730-х гг. на заводах Урала доменные печи сооружали вблизи основания плотины и на одном фундаменте часто помещали два агрегата, сокращая расходы на строительство и обслуживание.

  Дутьё в большинстве случаев подавали двумя работавшими по очереди клинчатыми мехами, изготовленными из дерева и кожи и приводимыми в действие водоналивным колесом. Концы сопел обоих мехов помещали в неохлаждаемую чугунную фурму прямоугольного сечения, носок которой не выходил за пределы кладки. Между соплами и фурмой оставляли зазор для наблюдения за горением угля. Расход воздуха достигал 12—15 м³/мин при избыточном давлении не более 1,0 кПа, что было обусловлено малой прочностью кожи мехов. Низкие параметры дутья ограничивали интенсивность плавки, объём и высоту печей, суточная производительность которых длительное время не превышала 2 т, а время пребывания шихты в печи от момента загрузки до образования чугуна составляло 60—70 ч. В 1760 году Дж. Сметон изобрёл цилиндрическую воздуходувку с чугунными цилиндрами, повысившими количество дутья. В России эти машины появились впервые в 1788 году на Александровском пушечном заводе в Петрозаводске. На каждую печь действовало 3—4 воздушных цилиндра, соединённых с водяным колесом посредством кривошипа и зубчатой передачи. Количество дутья возросло до 60—70 м 3 /мин [7] .

  Высокий расход древесного угля на получение железа вызвал истребление лесов вокруг металлургических заводов Европы. По этой причине в Великобритании с 1584 году ввели ограничение на рубку леса для металлургического производства, что вынудило эту страну, богатую каменным углём, в течение двух столетий ввозить часть чугуна для собственных нужд сначала из Швеции, Франции и Испании, а потом из России. В 1620-х годах Д. Дадли пытался плавить чугун на неподготовленном каменном угле, но без успеха. Только в 1735 году А. Дарби II после многолетних опытов удалось получить каменноугольный кокс и выплавить на нём чугун. С 1735 года основным топливом доменной печи стал каменный уголь (Великобритания, Абрахам Дарби III) [8] .

  Низкая стоимость кокса в сравнении с древесным углём, его высокая механическая прочность и удовлетворительное качество чугуна стали основанием для последующей повсеместной замены органического топлива минеральным. Наиболее быстро этот процесс закончился в Великобритании, где к началу XIX века почти все доменные печи перевели на кокс, тогда как в Континентальной Европе минеральное топливо начали использовать позже [9] .

  11 сентября 1828 года Джеймс Бомон Нилсон получил патент на использование горячего дутья (британский патент № 5701) [10] и в 1829 г. осуществил нагрев дутья на заводе Клайд в Шотландии. Использование в доменной печи нагретого только до 150 °С дутья вместо холодного привело к снижению удельного расхода каменного угля, применяемого в доменной плавке, на 36 %. Нилсону также принадлежит идея повышения содержания кислорода в дутье. Патент на это изобретение принадлежит Генри Бессемеру, а практическая реализация относится к 1950-м годам, когда было освоено производство кислорода в промышленных масштабах [11] .

  19 мая 1857 года Э. А. Каупер запатентовал воздухонагреватели (британский патент № 1404) [12] , также называемые регенераторами или кауперами, для доменного производства, позволяющие сэкономить значительное количество кокса. Внедрению горячего дутья на заводах Урала способствовало распространение в 1860—1870-х годах доменных печей Рашета, имевших горн эллиптического или прямоугольного поперечного сечения и снабжённых улавливающими устройствами для нагрева подаваемого в печь воздуха [13] [14] .

  

  Доменные печи Саткинского завода. 1910. Фото С. М. Прокудина-Горского

  Во второй половине XIX века, с возникновением и распространением сталеплавильных технологий требования к чугунам стали более формализованными — они подразделялись на передельные и литейные, при этом для каждого вида сталеплавильного передела были установлены чёткие требования, в том числе и по химическому составу. Содержание кремния в литейных чугунах было установлено на уровне 1,5—3,5 %. Они делились по категориям в зависимости от величины зерна в изломе. Существовал ещё отдельный сорт литейного чугуна — «гематитовый», выплавляемый из руд с низким содержанием фосфора (содержание в чугуне до 0,1 %).

  Передельные чугуны различались по переделам. Для пудлингования использовался любой чугун, при этом от выбора чугуна (белый или серый) зависели свойства получаемого железа. Для бессемерования предназначался серый чугун, богатый марганцем и кремнием и содержащий как можно меньше фосфора. Томасовским способом перерабатывали низкокремнистые белые чугуны со значительным содержанием марганца и фосфора (1,5—2,5 % для обеспечения правильного теплового баланса). Передельный чугун для кислой мартеновской плавки должен был содержать лишь следы фосфора, тогда как для основного процесса требования по содержанию фосфора не были столь строги [15] .

  При нормальном ходе плавки руководствовались видом шлака, по которому можно было ориентировочно оценить содержание в нём четырёх главных составляющих его оксидов (кремния, кальция, алюминия и магния). Кремнеземистые шлаки при застывании имеют стекловидный излом. Излом шлаков, богатых оксидом кальция — камневидный, оксид алюминия делает излом фарфоровидным, под влиянием оксида магния он принимает кристаллическое строение. Кремнеземистые шлаки при выпуске вязки и тягучи. Кремнеземистый шлак, обогащённый оксидом алюминия, становится более жидким, но ещё может вытягиваться в нити, если оксида кремния в нём не менее 40—45 %. Если же содержание оксидов кальция и магния превышает 50 %, шлак становится вязким, не может течь тонкими струйками и при застывании образует морщинистую поверхность. Морщинистая поверхность шлака говорила о том, что плавка «горячая» — при этом кремний восстанавливается и переходит в чугун, следовательно, в шлаке становится меньше оксида кремния. Гладкая поверхность имела место при выплавке белого чугуна с невысоким содержанием кремния. Оксид алюминия придавал поверхности шлака чешуйчатость.

  Индикатором хода плавки был цвет шлака. Основный шлак с большим количеством оксида кальция имел при выплавке графитистого «чёрного» чугуна в изломе серый цвет с голубоватым оттенком. При переходе к белым чугунам он постепенно желтел вплоть до коричневого, а при «сыром» ходе значительное содержание оксидов железа делало его чёрным. Кислые, кремнистые шлаки при тех же условиях меняли свой цвет от зелёного до чёрного. Оттенки цвета шлака позволяли судить о присутствии марганца, который придаёт кислым шлакам аметистовый оттенок, а основным — зелёный или жёлтый [16] .

  Описание и процессы

  Основная статья: Доменный процесс

  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.

  

  Схема доменного производства

  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, обогащённого 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, обогащённую 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 раскалённому 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 лётку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделённый 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 [17] :

  • 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

  Фундамент печи

  

  Замена огнеупорной кладки в горне доменной печи

  Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

  Горн доменной печи

  Горн доменной печи — нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащён устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100—1400 °С, обогащённого кислородом до 23—25 %, воздуха. Горн доменной печи — наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки — чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9—12 тыс. тонн. Давление горновых газов составляет 0,4—0,5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700—2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жёсткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна — кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

  Чугунная лётка

  Выпуск чугуна из доменной печи

  Это канал прямоугольной формы шириной 250—300 мм с высотой 450—500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600—1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000—3600 мм. Канал чугунной лётки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50—60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки вводят в лётку и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную массу. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами, и рычажной конструкцией с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200—5500 м 3 ) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции:

  1. открытие чугунной лётки (в необходимых случаях и шлаковой);
  2. обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака;
  3. закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой);
  4. ремонт лётки и желобов.

  Воздухонагреватели

  Основная статья: Доменный воздухонагреватель

  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 [18] .

  Материалы для доменного производства чугуна.

  

  Железные руды представляют собой горные породы, из которых при данном уровне развития техники, экономически целесообразно извлекать железо. Верхняя зона земной коры мощностью около 16 км содержит в среднем 4,9% Fe, входящего в состав более 350 минералов горных пород. Такие широко распространенные горные породы как гранит, базальт содержат 3 – 9% Fe. Однако, в настоящее время столь бедные железом породы, пока не используются. Железо в земной коре в чистом виде не встречается, а находится обычно в соединениях с кислородом, так как обладает сравнительно большим сродством к кислороду.
  В природе в большинстве случаев, железо встречается в виде:

  • магнитной окиси железа Fe3 О4 (магнитный железняк или магнетит);
  • безводной окиси железа Fe2 O3 (красный железняк или гематит);
  • водной окиси железа Fe2 O3 ⋅ nH2 O (бурый железняк или гетит);
  • соединения железа с двуокисью углерода FeСO3 .

  
  
  

  Функциональность и особенности чугунного литья

  Чугун, который используется для производства литья (технологических изделий и художественных элементов), подразделяется на несколько видов. Так, существует высокопрочный чугун (в ряде случаев выступает альтернативой стали), а также серый, белый и ковкий чугун. Кроме того, есть и специальные марки этого материала, однако в чугунном литейном производстве они не используются (их назначение – применение в виде легирующих присадок в сталь).

  Для создания отливок из чугуна востребованы различные способы. Так, одним из наиболее распространенных считается литье в песчано-глинистые смеси. Также могут использоваться холодно-твердеющие смеси (ХТС). Сам производственный процесс предполагает заливку материала, находящегося в жидком состоянии, в пустотелые формы. После его полного застывания получившееся изделие извлекается и подвергается необходимой механической обработке.

  ЗАО «Завод специального машиностроения «Маяк» производит высокоплотное чугунное литье методом литья в хтс. Отливки, изготовленные данным методом имеют привлекательный внешний вид, отсутствуют засоры и раковины. Поставки осуществляются предприятиям машиностроительной, металлургической, энергетической, станкостроительной отраслей промышленности.

  Нужно обратить внимание, что литье представляет собой сложнейший технологический процесс, на итоги которого влияет множество факторов. Безусловно, получить качественное изделие без высокотехнологичного оборудования невозможно, однако важнейшее значение также имеет уровень квалификации специалистов и наличие контроля качества продукции на каждом из этапов производства. Кроме того, только строгое соблюдение технологии способно исключить риск образования пустот (в литье из чугуна это считается главным недостатком).

  Читайте также: Коэффициент теплопроводности сталей и сплавов

  Главными преимуществами литья из чугуна считаются практичность, прочность, продолжительный срок службы и безопасность. Немаловажное значение для многих заказчиков имеет привлекательный внешний вид изделий. Достоинством считается и доступная цена чугуна, которая заметно снижает итоговую стоимость изделий.

  Производство чугунного литья востребовано во множестве сфер. Изделия используются в машиностроении и станкостроении, горнодобывающей промышленности, стройиндустрии, а также для решения различных задач в других отраслях. И, конечно, повышенный спрос существует на художественное литье: наряду с прочностью и износостойкостью, такие изделия отличаются безупречными эстетическими характеристиками. Метод подходит для создания лестничных ограждений, фонарей, беседок и всевозможных малых архитектурных форм.

  Производство качественных чугунных отливок для станкостроения и сложного корпусного чугунного литья

  (станины, корпуса) методом литья в хтс особо выделяет наше предприятие, особенно если учесть, что мы имеем возможность провести полную мехобработку данных изделий с учетом всех требований к точности и шероховатости. В производстве станочного корпусного чугунного литья в основном применяем следующие сплавы: СЧ20, СЧ25, СЧ30, ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60. При необходимости возможно введение легирующих элементов. Отливки в обязательном порядке проходят термообработку для снятия внутренних напряжений — искусственное старение (термический участок имеет габаритные печи с размерами 7000х7000х14000мм). Без данной термообработки в процессе эксплуатации изделий могут возникнуть деформации, превышающие требования чертежа в части возможных отклонений от плоскостности, параллельности и перпендикулярности. Для контроля размеров отливок сложной конфигурации может применяться 3Д сканирование.

  ПРИМЕРЫ НАШИХ РАБОТ (ФОТОГАЛЕРЕЯ)

  Магнитная окись железа

  Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа FeO ⋅ Fe2 О3. Под действием влаги и кислорода атмосферы закись железа в молекуле FeO ⋅ Fe2 О3 реагирует с кислородом воздуха, переходя в безводную окись железа Fe2 О3.

  Образовавшийся минерал по составу является гематитом, но отличается кристаллической решеткой и называется мартитом. Поэтому магнетит в природных условиях всегда окислен. Для характеристики окисленности магнетита принято пользоваться отношением Feобщ / FeFeO . В чистом магнетите это отношение равно 3,0. Обычно к магнитным железнякам относят руды, в которых это отношение меньше 3,5. При отношении равном 3,5 – 7,0, руды относят к полумартитам, а при отношении, большим 7 – к мартитам.

  Магнитный железняк встречается обычно в виде крепких кусковых руд. Он содержит: 55 – 60 % Fe, 0,02 – 2,5 % S, 0,02 – 0,7 % Р и обычно кислую пустую породу (SiO2 , Al2 О3). Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки можно обогащать электро-магнитным способом.

  Безводная окись железа

  Безводная окись железа в рудах представлена минералом гематитом. Руду, содержащую в основном гематит называют красным железняком, являющимся продуктом выветривания магнитных железняков или в значительной степени окисленным магнетитом. Руды бывают кусковатые, иногда пылевидные. В плотных породах цвет гематита меняется от стального до стально-черного. Для пылевидных руд характерен красный цвет. Красный железняк содержит 50 – 60% Fe, и обычно в таких рудах содержится мало серы и фосфора. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiO2 и Al2 O3.

  Материалы для доменного производства чугуна

  В различных железных рудах железо находится в виде безводной окиси железа Fe2O3 (красный железняк), водной окиси железа Fe2О3·n Н2O (бурый железняк), окиси-закиси Fe3О4 (магнитный железняк) или углекислого железа FeCО3 (шпатовый железняк). Кроме того, руда содержит пустую породу, в состав которой входят глинозем, углекислый кальций, углекислый магний, кремнезем и др.

  В доменном производстве, кроме руды, используют различные отходы промышленности, содержащие железо и марганец — шлак, окалина, колошниковая пыль, окисленная стружка. В доменных печах применяют марганцовые руды при выплавке передельных чугунов и доменных ферросплавов. Марганец в рудах присутствует в виде перекиси марганца МnO2, окиси марганца Мn2O3 и марганцевого шпата МnСО3. Руда для доменного процесса должна иметь определенные химический состав и размер кусков.

  Слишком большие куски медленно восстанавливаются, проходят в область высоких температур, расплавляются и переходят в шлак без восстановления. Мелкая, пылевидная руда также нежелательна, она уносится я колошниковыми газами, закрывает поры для прохождения газов в кусковых материалах, понижает производительность печи и увеличивает расход топлива.

  Поэтому основная масса руды перед плавкой проходит предварительную обработку, ее размельчают на щековых дробилках на куски размером 30—100 мм в поперечнике. Более мелкие фракции размалывают на дробильных валиках и шаровых мельницах, потом просеивают на ситах и брикетируют или спекают.

  Для повышения процентного содержания железа в рудах применяют различные способы обогащения: обжиг руд, мокрое или магнитное обогащение. Пылевидную руду или мелкие концентраты необходимо подвергать агломерации. Для этого их смешивают с нидным топливом, увлажняют и засыпают на транспортерную ленту в открытые ящики. Смесь в ящиках зажигается газовой горелкой и за счет тепла, выделяющегося от горения топлива, смесь при 1000—1100° спекается и образует агломерат.

  Читайте также: Чугун понятие, производство, особенности, структура, свойства и применение

  Агломерат лучше восстанавливается, чем сырая руда, меньше содержит пустой породы и вредных примесей. Кроме того, при спекании в него вводят необходимые флюсы и таким образом получают самофлюсующийся агломерат, что позволяет сократить и полностью устранить добавку в доменную печь сырых флюсов. В настоящее время доля агломерата в шихте составляет около 70% и будет доведена до 90%.

  Топливо в металлургии играет важную роль. При сгорании милива выделяется тепло, которое нагревает металлы и другие материалы; кроме того, часть топлива идет на химические процессы.

  Топливо используется в трех видах: жидком, газообразном и твердом. Горючая часть топлива представляет собой сложную смесь разнообразных органических соединений, состоящих из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. К негорючим частям топлива относятся влага и зола, которая состоит из окислов А12О3; SiО2; CaO; FeO; Fe.O, и др. Жидкое топливо получают в виде различных производных продуктов при перегонке нефти (мазута) и при возгонке твердого топлива (в виде смол). Теплотворная способность топлива— 9500÷10 000 ккал/кг.

  В качестве газообразного топлива применяют различные газы. Естественный газ содержит до 90% метана. Теплотворная способность его выше 8000 ккал/м3. Газ, получаемый при переработке каменного угля в кокс, обладает теплотворной способностью в 3500÷4500 ккал/м3. Доменный газ имеет теплотворную способность 850÷1000 ккал/м3. Светильный газ получают путем сухой перегонки каменного угля, может иметь теплотворную способность до 5000 ккал/м3. Генераторный газ получают в особых аппаратах— газогенераторах — при неполном сжигании топлива. Теплотворная способность его от 1200 до 1400 ккал/м3. В промышленности также пользуются газом от подземной газификации каменных углей.

  Твердое топливо употребляют в нескольких видах: дрова, торф, каменный уголь, антрацит и кокс. Теплотворная способность воздушно-сухих дров 2500—3000 ккал/кг. Теплотворная способность торфа колеблется в пределах от 1500 до 3500 ккал/кг, бурого каменного угля — 2500÷5000 ккал/кг, каменного угля и антрацита — 4500 ÷ 8500 ккал/кг.Естественное твердое топливо не обладает необходимыми качествами для непосредственного его применения в доменном производстве. Куски топлива для доменного производства должны иметь определенные размеры, большую теплотворную способность, минимальное содержание золы, малое содержание летучих веществ, быть достаточно прочными, минимально истираться, содержать минимальное количество вредных примесей, не должны растрескиваться при высоких температурах.

  Этим требованиям удовлетворяет подвергнутый тепловой обработке каменный уголь — кокс. Кокс получают из естественных каменных коксующихся углей путем сухой перегонки их без доступа воздуха. Угольные смеси загружают в специальные коксовальные печи (рис. 10

  ) с помощью загрузочных тележек 3, затем герметически закрывают и нагревают до 1000÷1100°. Выделяющиеся коксовальный газ и летучие вещества улавливают и используют в химической промышленности для производства ценных продуктов. Продолжительность коксования 13 — 18 час.

  Общее расположение батареи коксовальных печей и соответствующее оборудование к ним показаны на рис. 10. Для лучшего отекания химических реакций в доменной печи металлургическийi кокс должен обладать достаточной пористостью.

  

  . Схема устройства коксовальных печей: 1- млшина для выталкивания кокса; 2 — канал для отвода коксовального газа; 3 — загрузочные тележки; 4 — распределительная башня; 5 — тушильная башня; 6- отделение для дробления и смешивания угля; 7 — приемный бункер для сырого топлива; 8 — платформа для готового кокса; 9 — тушильный вагон; 10 — готовый кокс

  Применение природных газов в доменных печах дало возможность снизить расход кокса на 10÷18% и увеличить произвольность печи на 3÷8%. Флюсами называются материалы, способствующие сплавлению пустой породы и золы топлива. Продукты сплавления называются шлаками. Иольшинство руд при их переработке для получения шлака с нужными для процесса свойствами требует добавки флюсов, количество и качество которых для каждого случая определяют расчётом в зависимости от исходных материалов. Чаще всего применяют основной флюс — известняк.

  На 1 кг выплавляемого чугуна расходуется до 2 кг необогащённой руды и 0,6÷0,8 кг кокса. Расход флюсов на 1 кг выплавляемого чугуна зависит от состава руды, топлива и от характера их подготовки к плавке и колеблется от 0,2 до 0,5 кг.

  Водная окись железа

  Водная окись железа представлена в рудах обычно минералами лимонитом или гетитом. Руды, содержащие эти минералы называются бурыми железняками (общая формула Fe2 O3 ⋅ nH2 O). Бурый железняк образуется при окислении железных руд других типов. Он наиболее распространен в земной коре, но используется сравнительно в небольшом количестве, так как трудно поддается обогащению. В добываемых рудах обычно содержится 25 – 50% Fe и повышенное количество фосфора (0,5 – 1,5% Р). Состав руды бывает разнообразен не только в различных, но и в пределах одного месторождения.

  Бурые железняки, наиболее легко восстанавливаемые руды, благодаря малой плотности и большой пористости. В большинстве случаев руды загрязнены вредными примесями – фосфором, серой, мышьяком. Пустая порода глинистая, иногда кремнисто-глинистая.

  Читайте также: Вопросы к теме 8. Свойства и применение чугунов

  Индивидуальные свойства металла

  Материал характеризуется определенными характеристиками. К ним относятся:

  • Физические. Такие величины, как удельный вес или коэффициент расширения зависят от того, сколько составляет в металле содержание углерода. Материал тяжелый, поэтому из него можно делать чугунные ванны.
  • Тепловые. Теплопроводность позволяет аккумулировать тепло и удерживать, распространяя его равномерно во все стороны. Это используется при изготовлении сковородок или батарей для отопления.
  • Механические. Эти характеристики меняются в зависимости от графитовой основы. Наиболее прочный — серый чугун, имеющий перлитовую основу. Материал с ферритовой составляющей более ковкий.

  В зависимости от наличия примесей появляется разница в свойствах материала.

  К таким элементам относятся сера, фосфор, кремний, марганец:

  • Сера уменьшает текучесть металла.
  • Фосфор понижает прочность, но позволяет изготавливать изделия сложной формы.
  • Кремний увеличивает текучесть материала, снижая его температуру плавления.
  • Марганец дает прочность, но понижает текучесть.

  Вредные примеси

  Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец, медь. Сера придает металлу красноломкость, снижая его механические свойства. Фосфор вызывает в металле хладноломкость, ухудшая свойства металла при низких температурах. Мышьяк понижает свариваемость металла, ухудшает механические свойства. Кроме того, является сильным ядом и присутствие его недопустимо в металлоизделиях, применяемых в пищевой промышленности (емкости для варки пищи, консервные банки). Цинк и свинец не растворяются в чугуне, поэтому они не могут влиять на его качество. Однако, цинк при плавке возгоняется и пары его, проникая в швы кладки, приводят к увеличению ее объема и разрушению кожуха печи. Свинец также способствует разрушению футеровки печи. Медь понижает свариваемость металла и придает ему красноломкость.

  Однако, в некоторых случаях, фосфор и медь могут являться полезными примесями. Например, при выплавке некоторых марок стали.

  Пустая порода руд преимущественно состоит из SiO2 , Al2O3, СаО и MgО, которые находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО) / (SiO2 + Al2O3) ≈ 1. В этом случае снижается или отпадает совсем потребность во флюсе, увеличивается подвижность доменных шлаков. В природе такие руды встречаются очень редко и называются самоплавкими.

  Характеристика видов углеродистого металла

  Диаграмма железо-углерод показывает, из чего состоит чугун. Кроме железа, присутствует углерод в виде графита и цементита.

  Состав сплава чугуна имеет разновидности:

  • Белый. Присутствующий здесь углерод находится в химически связанном состоянии. Металл прочный, но хрупкий, поэтому плохо поддается механической обработке. В промышленности используется в виде отливок. Свойство материала позволяют вести его обработку абразивным кругом. Сложность вызывает процесс сварки, поскольку есть вероятность появления трещин из-за неоднородности структуры. Применение нашел в областях, связанных с сухим трением. Обладает повышенной жаростойкостью и износостойкостью.
  • Половинчатый. Обладает повышенной хрупкостью, поэтому не нашел широкого применения.
  • Серый. ГОСТ 1412–85 указывает, какой процент примесей содержит в своем составе этот металл: 3,5% углерода, 0,8% марганца, 0,3% фосфора, 0,12% серы и до 2,5% кремния. Присутствующий в пластинчатой форме углерод создает низкую ударную вязкость. Характеристика вида указывает, что на сжатие материал работает лучше, чем на растяжение. При достаточном нагреве обладает неплохой свариваемостью.
  • Ковкий. Ферритовая основа такого вида обеспечивает ему высокую пластичность. В изломе имеет черный, бархатистый цвет. Получается из белого, который томится длительное время при температуре 800−950 градусов.
  • Высокопрочный. Отличие от других видов заключается в присутствии графита шаровидной формы. Получается из серого после добавления в него магния.

  Читать также: Размеры картофелесажалки для мотоблока чертеж размеры

  Доменное производство

  Доменная печь используется в металлургии для выплавки чугуна и ферросплавов из шихты. Она имеет высокую производительность, поэтому в последнее время для обогрева частного дома многие мастера делают такие печи самостоятельно. Эти печи также имеют другое название – печи шахтного типа или печи длительного горения.

  

  Устройство большой доменной печи.

  Доменная печь, сделанная своими руками, работает по тому же принципу, что и ее промышленный вариант, она позволяет максимально эффективно использовать топливо, а его расход значительно снижается. Такая печь – лучшее решение для обогрева дома, дачи, гаража, теплицы.

  Основной особенностью, которую имеет самодельная доменная печь, является то, что процесс горения топлива в ней затягивается на длительное время.

  Такая домна, сделанная своими руками, может работать на угле, дровах и даже опилках. Можно купить печь длительного горения в магазине, но если все сделать своими руками, то экономия получится солидная.

  История

  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.

  Читайте также: Размеры фундамента: под камин, под дом

  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 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.

  Устройство и принцип работы

  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.

  Читайте также: Компактность и комфорт: печи для дачи без дымохода

  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.

  

  Как работает мартеновская печь

  

  Рис. 6 – Принцип работы мартеновской печи
  Главный принцип работы мартеновской печи основан на уникальном эвтектическом свойстве сплавов. Раскаленная смесь воздуха и горючего газа вдувается в печь с низким потолком, который жар отражает вниз (Рис. 6). Мартеновская печь может эксплуатироваться в нескольких производственных режимах, определение которых будет зависеть от состава шихты:

  • Скрап-процесс. В этом случае шихта основана на стальном ломе (скрап) на 35-45%. Данный производственный процесс будет актуален на заводах, где нет возможности установки доменных печей, но при этом есть много металлолома;
  • Скрап-рудный процесс. В таком процессе шихта основана на жидком чугуне (порядка 75%), железной руды и скрапа. Считается наиболее востребованным процессом на заводах, где установлены доменные печи.

  Большинство мартеновских печей имеет стационарное исполнение. В случае с качающимися печами, они нашли свое активное применение при работе с фосфористыми чугунами. Данная тенденция обусловливается тем фактом, что обогащенный фосфором шлак необходимо раскачивать.

  Процесс розжига печей качающегося типа осуществляется при помощи газообразного топлива или же мазута. Генераторный или смешанный газ, характеризующийся минимальными температурами сгорания, предварительно перед подачей в рабочую камеру подогревается в специализированных генераторах, температура в которых может варьироваться в диапазоне от 1000 до 1100 градусов.

  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.

  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.

  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.

  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.

  Читайте также: Как работает и устроен пластинчатый теплообменник

  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.

  Как работает

  Для обеспечения непрерывности работы, возле домны устанавливается склад для окатышей (агломерата), флюса и кокса – бункер, предназначенный для составления шихты.

  Поставки сырья в бункеры, как и подача шихты к засыпным устройствам на колошник, производится по непрерывной схеме с использованием транспортеров.

  Опускаясь под своей массой, шихта попадает в среднюю часть печи, где под воздействием горячих газов, образующихся в результате сгорания кокса, железорудный материал нагревается, а оставшиеся газы выходят через колошник.

  В горне, который находится внизу печи, располагаются аппараты для подачи под давлением горячих воздушных потоков – фурмы. В фурмах имеются окошки с термостойкими стеклами, позволяющие производить визуальный контроль процесса.

  Обратите внимание: для защиты от воздействия высоких температур устройства охлаждаются водой по имеющимся внутри каналам.

  В процессе горения происходит соединение кокса и кислорода с образованием углекислого газа.

  Воздействие высокой температуры на углекислый газ превращает последний в отнимающий у руды оксид углерода и восстанавливает железо. Процесс образования чугуна происходит после прохождения железа сквозь слои раскаленного кокса. В результате такого процесса, железо насыщается углеродом.

  После того как чугун в горне накопился, жидкий металл выпускается через находящиеся внизу отверстия – летки. В первую очередь через верхнюю летку выпускается шлак, а затем, через нижнюю летку – чугун. По специальным каналам чугун сливается в размещенные на железнодорожных платформах ковши и транспортируется на дальнейшую обработку.

  Для производства стали используется чугун, который называется переделочным – он составляет до 80% производства.

  Переделочный чугун транспортируется в сталелитейный цех с конверторами, мартеновскими или электрическими печами. В современных, огромного размера домнах для поддержания процессов горения используется не только потоки горячего воздуха, но и чистый кислород, применяемый вместе с природным газом.

  Такая технология позволяет расходовать меньшее количество кокса, но является технологически более сложной. Поэтому для контроля процесса производства, выбора оптимальных режимов плавки используются компьютеры, способные вести одновременный анализ работы всех систем.

  Смотрите познавательное видео, в котором описываются принцип работы и нюансы функционирования доменной печи:

  Похожие записи:

  1. Процессы разложения и восстановления шихтовых материалов по высоте доменной печи
  2. Доменные цехи
  3. Общие сведения о технологическом процессе производства чугуна в доменном цеху
  4. Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

  Источник https://stromet.ru/domennyj-process/zheleznye-rudy-vidy-mestorozhdeniya-domennyj-process/

  Источник https://serkits.ru/domennyj-process/materialy-dlya-domennogo-proizvodstva-chuguna/

  Похожие записи:

  1. Что такое домна и каковы процессы, происходящие в ней?
  2. Топливо металлургических печей
  3. Процессы разложения и восстановления шихтовых материалов по высоте доменной печи
  4. Металлургическое производство
  Читать статью  Технология доменной плавки