Понятие доменной печи и плавки
Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.
Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.
Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.
Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.
Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:
- топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
- железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
- флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.
Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.
Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.
Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.
Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.
Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.
Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.
Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.
Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.
Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.
Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.
Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.
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
Первые доменные печи появились в Китае к IV веку. 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), 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.
В Европе доменные печи появились в Вестфалии во второй половине XV века, в Англии доменные печи начали строить в 1490-х годах, в будущих США — в 1619 г. 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 м3/мин.
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).
Низкая стоимость кокса в сравнении с древесным углем, 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.
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.
19 мая 1857 года Э. А. Каупер запатентовал воздухонагреватели (британский патент № 1404), 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.
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.
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.
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.
Устройство домны
Современная печь – это огромная конструкция весом до 35000 т и высотой до 40 м. Чтобы многолетняя выплавка без простоев была возможной, печь должна быть прочной и надёжной. Снаружи устройство покрыто стальным кожухом – основа облицована толстыми листами (до 4 см).
Изнутри расположена огнестойкая футеровка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому внизу монтируют металлоёмкости, в которых циркулирует вода. Поскольку жидкости нужно очень много, иногда применяют охлаждение испарением. Суть метода – в испарении кипящей воды, активно поглощающей при этом тепловую энергию.
Печь представляет собой сооружение, состоящее из множества элементов. Основные представлены:
- колошником (колосником);
- распаром;
- шахтой;
- горном;
- заплечиками.
Колошник
Это верхний элемент, который служит для загрузки сырья (шихты) и отвода отработанных газов. Главная часть колошника – засыпной агрегат. В большинстве случаев аппараты для засыпки шихты двуконусные. Между засыпками оба конуса прикрыты. После подачи сырья меньший элемент опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, из большого руда попадает в печь. После этого герметизируется и крупное устройство.
Более продвинутые домны имеют улучшенную конструкцию колошника. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Благодаря этому возможна засыпка сырья с любой стороны.
Колошник служит и газоотводом. В процессе выплавки образуется огромное количество газа. Вместе с ним удаляется и железосодержащая пыль, которую улавливают газоочистители.
Шахта
Шахта занимает большую часть печного пространства. Конструкция, расширяющаяся книзу, представляет собой усечённый конус. Благодаря этому подача шихты происходит равномерно. Доменная печь – сооружение вертикальное и достаточно высокое. Это необходимо для обеспечения хим- и термообработки сырья нагретыми газами.
Распар
Элемент в форме цилиндра расположен в средней части рабочей доменной зоны. Для распара характерен наибольший диаметр. Назначение конструкции – увеличение печного пространства и ликвидация ненужного сырья. Здесь образуется пустая порода.
Заплечики
Укороченный конусообразный вариант распара – усечённый компонент обращён широкой частью вверх. С помощью заплечиков снижают объём выплавляемой шихты при производстве чугуна.
Горн
Основная часть, в которой и происходит выплавка металлов. Здесь горит кокс и образуется газ, накапливается шлак и чугун и происходит регулярный выпуск жидкого металла из конструкции. Состоит горн из фурменной зоны и металлоприёмника. Через фурмы, посредством воздухонагревателя и кольцевого воздуховода, в печь поступает горячий воздух. Он необходим для горения топлива. Дно металлоприёмника называется лещадь.
Внизу горна находятся шлаковые и чугунные летки – отверстия, через которые проходит расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстие закрывают с помощью поршневого механизма огнеустойчивой массой.
Шлаковые отверстия находятся на 1,5-2 м выше чугунных леток. Их закрывают с помощью стальных штопоров с наконечниками. От чугуна шлак отделяется посредством агрегата, расположенного на печном желобе. Обе составляющие подаются в специальные ковши.
Всё это гигантское сооружение имеет огромную массу. Такой вес необходимо передавать грунту равномерно. Поэтому домну устанавливают на массивном бетонном фундаменте, толщина подошвы которого может достигать 4 м. Подошва служит опорой колоннам, на которые, в свою очередь, опираются металлоконструкции. Верхнюю фундаментную часть выполняют из жаростойкого бетона в формате монолитного цилиндра.
Давление огромной массы на грунт компенсируется устройством мощного фундамента
В таблице представлена взаимосвязь размеров некоторых современных печей.
| Размеры, мм | Полезный объём домны, м3 | ||
| 2000 | 3000 | 5000 | |
| Диаметр: | |||
| колошника | 7300 | 8200 | 11200 |
| распара | 10900 | 12900 | 16300 |
| горна | 9750 | 11700 | 14900 |
| Высота: | |||
| шахты | 18200 | 20100 | 19500 |
| горна | 3600 | 3900 | 4500 |
| полезная | 29200 | 32200 | 32200 |
| полная | 32350 | 34650 | 36900 |
Дополнительные элементы доменной печи
В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.
Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.
Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.
Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.
Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.
Принцип работы домны
Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.
Термохимические реакции
Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:
3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2,
Fe3O4+CO→3FeO+CO2,
FeO+CO→Fe+CO2.
Общая формула:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
Получение необходимого количества углекислого и угарного газа обеспечивает горение кокса:
С + О2 → СО2,
СО2 + С → 2СО.
Для отделения железа от примесей используется известняковый флюс. Химические реакции, образующие шлак:
СаСО3 → СаО + СО2,
СаО + SiO2→CaSiO3.
Принцип работы доменной печи таков. После загрузки доменную печь начинают разжигать газом. По мере повышения температуры подключается каупер и начинается продувка воздухом. Кокс – топливо для доменной печи – начинает интенсивнее гореть, и температура в шахте значительно увеличивается. При разложении флюса образуется большое количество углекислого газа. Угарный газ в химических реакциях выступает восстановителем.
Схема производства чугуна
После сгорания кокса и разложения флюса столб шихты опускается, сверху добавляется очередная порция. Снизу в самой широкой части шахты происходит полное восстановление железа при температурах 1850°С — 2000°С. Затем оно стекает в горн. Здесь происходит обогащение железа углеродом.
Температура в доменной печи изменяется в сторону увеличения по мере опускания шихты. Процесс восстановления протекает при 280 °С, а плавка происходит после 1500 °С.
Разлив расплава происходит в два этапа. На первом через летки сливается шлак. На втором через чугунные летки сливается чугун. Больше 80% выплавляемого чугуна идет на производство стали. Из остального чугуна отливают в опоках болванки.
Работает доменная печь непрерывно. От загрузки шихты до получения сплава проходит 3-20 дней — все зависит от объема печи.
Сырье
Основой для получения чугуна в доменном процессе служат железные руды. Поскольку железо обладает сравнительно большим сродством к кислороду, оно в чистом виде в земной коре не обнаруживается, а находится в виде соединений с кислородом и диоксидом углерода.
Основные руды железа, которые используются в металлургическом производстве – это окись-закись железа (Fe3O4 – магнетит, магнитный железняк), окись железа (Fe2O3 — красный железняк, 2Fe2O3 * 3H2O — бурый железняк) и карбонат железа FeCO3 . Естественно, что в чистом виде данные вещества не встречаются, а имеют примеси других элементов (чаще всего серы и фосфора) и других веществ в виде сопутствующих пород, не образующих с целевым продуктом химических соединений (обычно SiO2, Al2O3, CaO, MgO).
Кроме того, в больших количествах в виде руд имеется железный колчедан FeS2, но он очень редко применяется в металлургии, так как выплавляемое из него железо получается очень низкого качества из-за большого содержания серы.
В результате проведения специальных технологий дробления руды и флотационного процесса значительную часть пустой породы удается отделить от целевого продукта, в результате чего в ряде случаев удается повысить содержание железа в руде до 63-67%, а иногда до 69-72%.
Однако полностью удалить пустую породу не удается, эта операция осуществляется в самом доменном процессе путем перевода пустой породы в шлаки, которые отделяются от чугуна.
Доменный процесс
Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.
Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.
Как работает домна
Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.
Химические процессы и температура в разных зонах доменной печи
По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.
Примечание: время прохождения очередного колоша шихты в домне от верха шахты до расплава в горне составляет от 3-х до 20 и более суток в зависимости от размера доменной печи.
Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.
Оборудование, незаменимое в черной металлургии
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.
Продукты доменного производства
Продуктами доменной плавки являются:
- чугун;
- шлак;
- доменный (колошниковый) газ.
Чугун
Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.
Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:
- передельные идущие на передел в сталь;
- литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
- специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.
Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.
В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.
Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.
Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.
Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.
В зависимости от состава и способа переработки различают:
- мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
- бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
- томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.
Передельный чугун подразделяют на три вида:
- Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
- Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
- Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).
Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.
Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.
Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы
Фосфористые чугуны.
Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.
Литейные чугуны.
Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.
Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.
Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:
- труб;
- радиаторов;
- водопроводной арматуры;
- станин;
- блоков;
- шестерен и т. п.
Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.
Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.
Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.
Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.
Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.
Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.
Специальные чугуны (ферросплавы).
Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или присадки в сталеплавильном и чугунолитейном производствах.
К ним относятся:
- ферромарганец (70 – 75% Mn и до 2% Si);
- ферросилиций (9 – 13% Si и до 3% Mn);
- зеркальный чугун (10 – 15% Mn и до 2% Si).
В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.
Шлак
Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.
Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).
Шлаки бывают основные и кислые.
Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.
Доменный (колошниковый газ)
Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник.
Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.
Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Теплота сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3.
При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3.
Около 30—35 % колошникового газа используется в доменном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.
Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах.
Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту.
Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.
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
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
Стоимость на примере КПД
Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.
Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.
Комплекс включает в себя следующие узлы:
- приемное устройство для руды;
- приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
- бункерная эстакада;
- компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
- установка для вдувания пылеугольного топлива;
- утилизационная ТЭЦ;
- центр управления и административный корпус;
- литейный двор;
- домна;
- воздухонагревательные блоки;
- насосная станция.
Производительность комплекса:
Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.
Разряды ремонта домны
Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:
- Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
- Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
- Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.
Системы и оборудование
Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.
Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.
Топливо для домны
Работает печь для изготовления чугуна на таком сырье как кокс, который происходит в специальных коксовых печах, где выплавляется чугун. Получают кокс из специального коксующего каменного угля. Как правило, на крупном металлургическом заводе, кокс вырабатывается в специальных коксохимических цехах, где в среднем находится по 50-70 печей или камер коксования. Все они объединяются в одну камеру.
Весь процесс является полностью автоматизированным, а сущность его состоит в том, что состав из раздробленного коксующегося и некоксующегося каменного угля загружается в полость камеры и подогревается без доступа воздуха до 1000 оС.
Обогрев камеры осуществляется снаружи. Чтобы температура внутри полости печи сохранялась на уровне в 1000 оС, в пространстве между камерами требуется поддержание температуры 1400 оС. Подогрев коксовой батареи осуществляется газом, который смешивается с подогретым воздухом. При коксовании, а также в момент нагревания каменного угля до температуры в 100 оС начинается медленное испарение влаги, а далее при нагревании угля до 350 оС идет его просушивание и удаление смол.
При повышении температуры до отметки в 450 оС начинается размягчение частиц в коксующемся угле, а частички, полученные этим способом, начинают обволакивать некоксующиеся части угля, что образует сплошную массу, а впоследствии единый сплав. Чтобы сделать правильный и качественный состав требуется полное соблюдение всех этапов. Когда тепло массы достигает 480-650 оС, масса начинает выделять органические газообразные продукты сухой перегонки угля.
Как только выделяющийся газ вспучивает сплошную массу из угля, он начинает постепенно покидать ее, после чего остается ноздреватый уголь и большое количество мелких пор и трещин что является полукоксом. Когда температура достигает 650-1000 оС, он становится коксом с серебристым и светловато-серым цветом.
Если правильно пользоваться производством, то получают до 750 кокса из 1 тонны угля, а также 300м3 коксового газа и практически 35 кг каменноугольной смолы. В том числе 12 кг бензола и 3 кг аммиака. Уголь – это отличный источник тепла, который используют в частных домах для отопления.
[spoiler title=»Источники»]
- https://bestpechi.ru/domennaya-pech
- https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%B5%D1%87%D1%8C
- https://www.tproekt.com/domennaa-pec/
- https://ZnatokTepla.ru/pechi/domennaya-pech.html
- https://stankiexpert.ru/spravochnik/litejjnoe-proizvodstvo/domennaya-pech.html
- https://svet-komfort.ru/pech-i-kamin/samaya-shirokaya-chast-pechi.html
- https://intehstroy-spb.ru/spravochnik/domennaya-pech.html
- https://clubpechnikov.ru/domennaya-pech/
- https://kotel.guru/pechi/ustroystvo-domennyih-pechey.html
[/spoiler]