Доменная печь

Литература и источники

  • Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 15. — 257 с.
  • Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время: Энциклопедия. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2014. — Т. 6. Металлургия и социум. Взаимное влияние и развитие. — 224 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-760-6.
  • Толковый металлургический словарь. Основные термины / Под ред. В. И. Куманина. — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6.
  • Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. — Киев.:Выща школа, 1988. — 352 с.
  • Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — М.: Детгиз, 1954. — 486 с.
  • Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — М.: Металлургия, 1980. — 303 с.
  • Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.
  • Андронов В. Н. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Доменный процесс. — Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с. — ISBN 978-966-380-329-6.
  • Г. Н. Еланский, Б. В. Линчевский, А. А. Кальменев Основы производства и обработки металлов. Москва 2005 г.

Описание и процессы

Основная статья: Доменный процесс

Устройство доменной печи

1
Горячее дутьё
2
Зона плавления (заплечики и горн)
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.

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, 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.

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \mathrm {C+O_{2}=CO_{2}+Q} }

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

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

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

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,CO=2\,Fe+3\,CO_{2}} }

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

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии. Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям

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

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

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

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

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

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

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

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

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

https://youtube.com/watch?v=jdh0OXhKJXg

В целом, можно выделить такие процессы:

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

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

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

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

Выделяют такие операции:

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

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

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

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

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

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

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

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

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

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

Описание и процессы

Устройство доменной печи1. Горячее дутьё2. Зона плавления (заплечики и горн)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.

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, 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.

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \mathrm {C+O_{2}=CO_{2}+Q} }

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

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

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

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,CO=2\,Fe+3\,CO_{2}} }

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.

Системы и оборудование

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

Кауперы

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

Внешний вид и устройство кауперов доменной печи

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

Колошниковый аппарат

Устройство колошникового аппарата доменной печи

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

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

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

Скип

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

Скиповый подъемник материалов и скип доменной печи

Фурмы и летки

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

Устройство фурмы и леток доменной печи

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

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.

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.

https://youtube.com/watch?v=jdh0OXhKJXg

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.

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.

Устройство колошника

Устройство колошника:

  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.

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.

Схема доменной печи

Принцип работы домны будет описан чуть ниже, а вот о вспомогательных устройствах и механизмах, посредством которых можно обеспечить качественную выплавку чугуна можно прочитать ниже. Чтобы обеспечить грамотную подачу топлива используется специальное оборудование, посредством, которого закладывается сырье в полость печи без оплошностей. Доменной печи требуется постоянное обслуживание, чтобы выпуск шлака и чугуна осуществлялся без дефектов, и соответственно не страдало производство и затраты. Для этого есть специальный литейный двор, на котором установлен мостовой кран.

Помимо этого, есть специальная система, которая увлажняет горячий воздух, поступающий в печь. Это требуется для процесса производства. Также установка снабжена специальными воздуходувными машинами, которые позволяют сжимать воздух, требующийся для того чтобы сжечь топливо. Давление в полости колошника в современной печи может достигать 25 МПА. Есть такие установки как газоочистители, которые используются для очищения колошникового газа.

Доменное производство считается востребованным и сейчас с момента своего возникновения в России и в мире в целом, так как до сих пор используются прокатные металлические изделия, посредством которых осуществляется строительство различных конструкций.

История появления доменной печи

Доменные печи появились в России около 1630 года, европейские аналоги доменного производства датируются четырнадцатым веком. Первые доменные печи были древесноугольными, подача холодного воздуха осуществлялась ручным способом. Отходы производства были велики, а эффективность использования сырья — низкой. Желание более эффективно наладить производство чугуна подвигло Д. Б. Нильсона запатентовать изобретение горячего дутья. Подаваемый в печь воздух нагревался до 150 градусов по Цельсию. А в 1857 году Э. А. Каупер изобрел нагреватели воздуха, что позволило экономить большое количество кокса. Если говорить в общем, что такое домна, то это печь для плавки железосодержащей руды, для дальнейшего получения металла, который впоследствии используется в тяжелой, металлопрокатной, транспортной и других направлениях промышленности.

Доменная печь

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий