Устройство и работа доменной печи

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

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.

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 Математическое моделирование сложных технологических процессов доменного производства методами нелинейной динамики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Голубев, Олег Викторович

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 Т_пл = 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 Теплообмен в доменной печи. Понятие о водяных эквивалентах

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

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 Разложение плавильных материалов в доменной печи

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

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

Производство доменных печей — одна из нелегких задач в области металлургии. Но в то же время эта конструкция насчитывает уже не одно столетие. С развитием научно-технического прогресса, конструкция печи немного видоизменилась, стали прибавляться элементы и детали, позволяющие намного ускорить производственный процесс. Кроме того, многие сложные для осуществления контроля режимы в современных печах автоматизировались.

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.

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

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала. В целом, можно выделить такие процессы:

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

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь. Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

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

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии. Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям. Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества. В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

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

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления. Существуют печи коксовые и 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.

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.

Источник https://enersb.ru/domennaya-pech/osnovnye-fiziko-himicheskie-processy-proishodyashhie-v-domennoj-pechi/

Источник https://promplace.ru/oborudovanie-dlya-obrabotki-metalla-staty/domennye-pechi-1618.htm