Особенности доменной плавки

Доменная печь является одним из основных плавильных агрегатов в черной металлургии. Ее главная технологическая задача - выплавка чугуна заданных характеристик и состава. Своим внешним видом доменная печь напоминает башню высотой с тридцатиэтажный дом. С наружной стороны она имеет обшивку из листовой стали, а изнутри ее выкладывают несколькими слоями огнеупорных кирпичей (шамотов). На верхний ярус домны специальными подъемниками доставляется шихта: кокс, который представляет собой спекшийся, чрезвычайно твердый пористой структуры углеродистый продукт высокотемпературной переработки каменного угля, известняковый материал, улучшающий условия плавки. Туда же поднимают подготовленную железную руду. Затем через устройство, которое называется колошником, весь доставленный материал слоями загружается внутрь печи. Снизу через специальные форсунки (фурмы) осуществляется подача топлива и горячей воздушной смеси, обогащенной кислородом и смешанной с природным газом.

Принцип работы

Доменная печь, принцип работы которой основан на высокотемпературном сгорании кокса в атмосфере максимальной насыщенности кислородом, является плавильным агрегатом вертикально-шахтного типа. Для успешности протекания доменного процесса и для того, чтобы шихта хорошо пропускала газовую и воздушную смесь, требуется предварительная подготовка руды. Она заключается в спекании рудного материала в большие коржи или круглые окатыши. Под воздействием собственной массы шихта опускается, проходя практически через всю доменную печь и по пути омываясь газами, выделяющимися при сгорании коксового материала. Основная часть плавильного процесса протекает в горне. Шихта дополнительно нагревается горячим воздухом, что позволяет значительно минимизировать затраты кокса, а также повысить производительность печи.

Из истории доменной печи

Второе тысячелетие до нашей эры можно считать началом зарождения черной металлургии. Сначала для получения железа использовались костры, позже им на смену пришли плавильные ямы, названные сыродутными горнами. В них помещали руду и древесный уголь. Необходимая для поддержания процесса горения воздушная смесь подавалась естественной тягой, которую позже с развитием технологий сменили мехи. Конечно же, такой способ не мог дать качественного металла. Железо имело вид тестообразной массы с обильными вкраплениями шлаков и остатков не полностью сгоревшего древесного угля. Низкое содержание углерода делало металл мягким, изделия из него легко гнулись, быстро тупились и практически не поддавались закалке. С течением столетий процесс выплавки все больше совершенствовался. Так горны начали превращаться в небольшие печи, позволявшие получать более качественный металл. Первая доменная печь появилась в Европе на рубеже XIV - XV вв. Такие агрегаты начали строить в провинции Намюр (Бельгия) и в Англии. В качестве топлива продолжали использовать древесный уголь, что по мере наращивания объемов металлургического производства приводило к вырубке все больших площадей леса. В 1735-м году английским изобретателем Абрахамом Дерби был успешно применен в доменном процессе каменноугольный кокс, не содержавший примесей других типов топлива. Это помогло не только сэкономить значительные лесные ресурсы, но и существенно повысило эффективность и производительность плавильного производства. Современные доменные печи являются сложными и высокотехнологичными сооружениями, которые способны выплавлять в сутки до 5000 - 5500 тонн высококачественного чугуна. Все процессы по подготовке и загрузке шихтового материала в них полностью механизированы.

Устройство

Устройство доменной печи вертикально-шахтного типа планируется с учетом того, что при увеличении полезного внутреннего объема сооружения повышается также его экономичность. Сейчас все крупные предприятия стараются иметь агрегаты с тоннажем не менее 2000 - 3500 м 3 . Например, на металлургическом комбинате «Криворожсталь» с 1974-го года работает гигант объемом 5000 м 3 . Воздух на таких крупных агрегатах вдувается через 14 - 36 форсунок-фурм. Для нагревания воздушной смеси используются специальные мощные электрические устройства. Каждая крупногабаритная доменная печь промышленного масштаба обслуживается тремя-четырьмя автоматически переключающимися воздухонагревателями. Также работу агрегата обеспечивают многочисленные вспомогательные устройства, к числу которых относятся специальные шихтовые дворы, оснащенные разгрузочно-погрузочными приспособлениями; эстакады бункерного типа с вагон-весами, предназначенными для автоматического взвешивания загружаемых материалов; подъемные механизмы, которые доставляют самоопрокидывающиеся тележки-скипы к загрузочному блоку сооружения. Для нормального функционирования всей системы также предназначаются специальные нагревательные устройства, необходимые при осуществлении процесса высокотемпературного дутья, литейные дворы, чугуновозы, шлаковозы и разливочные машины. По большому счету, современная доменная печь представляет собой своеобразное автоматизированное мини-предприятие, обслуживаемое множеством специалистов самого разного профиля. Такие огромные и сложнейшие производственные структуры являются агрегатами непрерывного действия и работают несколько лет безостановочно до тех пор, пока не произойдет износ внутренней огнеупорной кладки.

Тема 1. Общая схема доменного процесса 1

1.1. Цели и задачи доменного процесса 1

1.2. Устройство доменной печи 2

1.3. Общая схема работы доменной печи 5

1.3.1. Шихтовые материалы 5

1.3.1.1. Железорудные материалы 6

1.3.1.2. Флюсы 6

1.3.1.3. Твердое топливо 8

1.3.2. Комбинированное дутье 9

1.3.3. Продукты доменной плавки 10

1.3.3.1. Чугун 10

1.3.3.2. Шлак 10

1.3.3.3. Колошниковый газ 11

1.3.4. Выводы 12

1.4. Показатели работы доменной печи 13

1.5. Доменные чугуны 14

1.5.1. Классификация чугунов по назначению. 14

1.5.2. Химический состав передельных, литейных и специальных чугунов. 15

1.5.2.1. Передельные чугуны 15

1.5.2.2. Литейные чугуны 17

1.5.2.3. Специальные чугуны. 19

1. Общая схема доменного процесса

   1. Цели и задачи доменного процесса

Для того, чтобы иметь полное представление о доменном процессе и в целом о доменном производстве, необходимо первоначально познакомиться с общей схемой. Это позволит затем рассматривать отдельные элементы, имея представление об их месте в общем комплексе разнообразных процессов, протекающих в доменной печи, и общей технологической схеме производства чугуна.

Целью доменного производства является получение высококачественного чугуна (заданного состава с низким содержанием примесей) с наименьшими топливно-энергетическими затратами и максимальной (заданной) производительностью. Требование минимальных топливно-энергетических запасов станет более очевидно при рассмотрении общей схемы доменного производства, объемов производства, расходов сырья на производство 1 тонны продукции и цен на сырье.

Основной продукт доменной плавки – чугун. Следует отметить, что существуют также технологии доменной плавки, основным продуктом которых является шлак. Например, продукт бокситной плавки – шлак, используется для получения высококачественного бетона.

1. Устройство доменной печи

Основным агрегатом для извлечения железа из железных руд является доменная печь.

По принципу работы доменная печь относится к плавильным печам шахтного типа, печам, рабочее пространство которых вытянуто по вертикали, а горизонтальное сечение – окружность. Течение процессов в шахтных печах основано на противотоке материалов и горячих газов.

Очертание рабочего пространства печи в вертикальном осевом сечении называется профилем. Профиль печи в зависимости от их геометрического очертания и технологического назначения делится на пять частей (рис. 1.1 -1).

Верхняя часть печи, имеющая цилиндрическую форму, называется колошником (К). Колошник доменной печи оборудован колошниковым устройством. Колошниковое устройство представляет собой комплекс металлоконструкций, различного назначения и включает в себя устройства для подачи и загрузки материалов в печь, газоотводы для равномерного отвода газов из печи (не менее 4), устройства для производства ремонтных и монтажных работ. Засыпной аппарат загрузочного устройства доменной печи служит для загрузки и распределения материалов в доменной печи. При этом он герметично закрывает печь и изолирует ее внутренне пространство от атмосферы.

О

Рис. 1.1‑1. Доменная печь

сновной частью печи по объему является шахта (Ш), представляющая собой усеченный конус. Наиболее широкая часть печи, имеющая форму цилиндра, распар (Р) переходит в заплечики (З) в форме обратного усеченного конуса.

Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, называется горном (Г). Горн в свою очередь подразделяется на верхний и нижний горн или фурменную зону и металлоприемник, соответственно. В верхней части горна имеется большое число (30…40) равномерно распределенных по окружности фурменных отверстий (Ф), через которые из кольцевого воздухопровода 5 в печь через специальные приборы – фурмы подают дутье. Подину металлоприемника называют лещадью. Часть металлоприемника ниже чугунной летки носит название зумпфа или “мертвого” слоя. Эта зона, заполненная жидким металлом, защищает лещадь от высокотемпературных процессов, протекающих в горне. Нижний горн оборудован чугунными и шлаковыми летками – устройствами для выпуска чугуна и шлака. Летки для выпуска чугуна делают в стенке горна над зумпфом в виде прямоугольных каналов размеров 250…300 х 450…500 мм, в которых высверливают отверстия в углеродистой футеровке металлоприемника диаметром 50…60 мм. Отверстие для отработки верхнего шлака – шлаковую летку, делают в горне на отметке, определяемой при расчете профиля печи. Диаметр шлаковой летки обычно составляет 50…65 мм в зависимости от диаметра горна печи.

Такая конфигурация рабочего пространства сложилась в процессе совершенствования технологического агрегата, и создает наиболее благо­приятные условия для протекания аэродинамических и физико-химических процессов.

Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Металлоконструкции печи опираются на фундамент, который служит для равномерной передачи дав­ления печи с загруженными в нее сырыми материалами на грунт.

Внутренняя часть печи выложена огнеупорным кирпичом, сохранность которого в течение нескольких лет эксплуатации обеспечивается системой охлаждения. Огнеупорная кладка служит для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от различных воздействий: температурные напряжения, давление газов, шихты и жидких продук­тов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускаю­щихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли, и т. п.

Размеры составных частей доменной печи определяют ее рабочее пространство, так называемый ее полезный объем. Полезный объем равен объему печи от оси чугунной летки до засыпного устройства в его крайнем опущенном положении. Расстояние от этого уровня до оси чугунной летки, называется полезной высотой печи. Эти параметры профиля печи: полезный объем печи и полезная высота печи, а также соотношения диаметров колошника, распара и горна определяют конфигурацию профиля печи и являются ее характеристикой.

Размеры средней доменной печи объемом 2002 м 3 .

Доменная печь установлена на фундаменте (железобетонный армированный массив, рассчитанный на огромные нагрузки, жароупорный бетон) высотой до 10 м. Учитывая размеры колошникового устройства - до 15…18 м, можно представить, что доменная печь является очень серьезным сооружением высотой порядка 60 м.

Самая большая доменная печь – ДП № 5 ЧерМК. Ее объем – 5580м 3 , полезная высота – 33,5 м, диаметр распара – 16 м.

Современная доменная печь – это сложнейший технологический комплекс, включающий в себя непосредственно доменную печь, а также основное и вспомогательное оборудование, назначение которого определяется технологическими задачами доменного производства.

Рис. 1. Разрез (а) и профиль рабочего пространства доменной печи (б):

1 – чугунная летка; 2 – горн; 3 – заплечики; 4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 – запасной аппарат;

8 – горизонт образования чугуна; 9 – горизонт образования шлака;

10 – зона горения кокса; 11 – слой шлака; 12 – шлаковая летка; 13 – расплавленный чугун.

Доменные печи №5,6 и 7 построены по одному типовому проекту, поэтому имеют одинаковые размеры профиля печи. Полезный объём 2000м 3 ; проектную мощность 1300 тыс.т/год чугуна; среднесуточное производство 3640 т\ высота печи составляет 29,4м; диаметр распара 10900мм; высота горна составляет 3600мм; высота мёртвого слоя 101,2мм; высота распара 1700мм; высота заплечиков 3000мм; объём горна равен 268,8м 3 ; объём заплечиков 251,4м 3 ; объём распара 158,7м 3 ; объём шахты 1199,2м 3 ; объём колошника 121,9м 3 .

Рис. 2 Профиль доменной печи

Н п - полная высота; Н™- полезная высота; h r высота горна; h a - высота заплечиков; п р -высота распара; Ь ш - высота шахты; Iv высота колошника; d r диаметр горна; D p - диаметр распара; dr диаметр колошника; а- угол наклона шахты; (3- угол наклона заплечиков-

Вес всех конструкциях доменной печи, шихты и продуктов доменной плавки передаётся на фундамент, который равномерно передаёт всю нагрузку на грунт и является весьма ответственным сооружением.

Фундамент разделяют на две части: верхнюю (пень), состоянию из сплошного массива жароупорного бетона, который не разрушается, нагреваясь до 1250°С, и нижнюю часть (подошву), выполненную в виде железобетонной плиты.

Огнеупорная кладка доменной печи снаружи заключена в сплошной металлический кожух - броню, выполненную из листовой стали, толщина которой в нижней части горна составляет 36-40мм, а в верхней части шахты 28мм.

Нижняя часть кожуха в районе лещади, горна и заплечиков опирается на фундамент. Верхняя часть кожуха (от распара до колошника) опирается на мараторное кольцо, которое лежит на колоннах. Мараторное кольцо представляет собой сварную конструкцию из толстых листов стали, выполненную в виде плоского кольца, к внутренней части которого приварена нижняя кромка кожуха шихты; наружная часть мараторного кольца прикреплена болтами к колоннам.

Огнеупорная кладка печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от тепловых и других вредных воздействий. Кладка печи претерпевает многообразные воздействия: температурные напряжения, давление газов, шихты и жидких продуктов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли и т.д.

В различных частях печи воздействия на огнеупорную кладку различны, поэтому материал футеровки и конструкцию отдельных частей печи необходимо выбирать с учётом этих воздействий.

Кладка лещади постоянно омывается жидким чугуном, испытывает большое гидростатическое давление и температурные напряжения. Благодаря этим воздействиям чугун проникает в швы кладки. При неустойчивом режиме печи, связанном с колебаниями температуры, проникший в швы чугун может застывать, а затем снова расплавляться. При застывании чугун расширяется и расклинивает кладку, при этом отдельные кирпичи теряют связь с кладкой и всплывают на поверхность чугуна.

Кладка нижней части горна - металлоприёмника - также испытывает расклинивающее действие застывающего чугуна, но в меньшей степени, так как чугун оказывает меньшее гидростатическое давление на кольцевую кладку металлоприёмника. Кладка металлоприёмника омывается шлаком, который взаимодействует с материалом кладки, разрушая её.

Служба кладки верхней части горна - фурменной зоны - значительно отличается от службы её в металлоприёмнике. Гидростатическое давление чугуна и шлака на стены фурменной зоны сравнительно невелико. Однако в этой зоне развивается самые высокие в доменной печи температуры (здесь происходит горение топлива), воздействующие на огнеупорную кладку.

В заплечиках, расположенных в непосредственной близости от очагов горения, развиваются высокие температуры. Рудная часть шихты находится в жидком состоянии и, стекая в виде капель и струек

чугуна и шлака между кусками кокса, частично попадает на огнеупорную кладку. Кроме того, огнеупорная кладка интенсивно омывается газами. Таким образом, кладка заплечиков находится в тяжёлых условиях, испытывая, помимо термических напряжений, химическое воздействие газов, жидкого шлака и чугуна.

Стенки шахты в нижней её части испытывают довольно сильное тепловое напряжение и химическое воздействие шлака, в меньшей степени они истираются кусками шихты и частицами пыли, увлекаемыми восходящим потоком газа. В верхней же части, наоборот, тепловое напряжение невелико, химическое воздействие шлака отсутствует, а абразивное воздействие материалов и газового потока более сильное.

Для того чтобы продлить срок службы огнеупорной кладки и снизить влияние температуры на кожух во избежание его разрушения, а также способствовать образованию гарниссажа, применяется водяное или пароиспарительное охлаждение.

При водяном охлаждении на 1м 3 полезного объёма доменной печи расход воды составляет 1,0-1,Зм 3 /ч. Расход воды при пароиспарительном охлаждении в несколько раз меньше.

Применяют три способа охлаждения доменных печей водой:

наружную поливку кожуха печи из кольцевых брызгал - применяется как резервное охлаждение в случае прогара холодильников или износа кладки;

установку чугунных плит между кожухом и футеровкой печи (периферийные холодильники) с залитыми в них цельнотянутыми стальными трубами, по которым циркулирует вода - обеспечивает равномерное охлаждение футеровки и более надёжную защиту от прогара металлического кожуха печи.

3) установку холодильников внутри кладки (внутренние холодильники), отлитых из стали с внутренними каналами или из чугуна с залитыми цельнотянутыми трубами для циркуляции воды - охлаждают футеровку шахты на значительную толщину.

Охладительные устройства предохраняют кладку от сильного разгара, но не предупреждают его полностью.

Воздух, необходимый для горения топлива, подаётся в доменную печь через отверстия, расположенные, -расподоженнмег в верхней части горна - фурменной зоне. В отверстие в огнеупорной кладке вставляется фурменный прибор, состоящий из трёх деталей: амбразуры, холодильника и фурмы.

Амбразура 11 представляет собой чугунную отливку «конической формы, охлаждаемую водой, циркулирующей по водопроводной трубке, залитой в её теле. Чтобы обеспечить хррошее уплотнение, амбразуры крепятся болтами к стальному литому сланцу 10, привариваемому к кожуху горна. Место сопряжения фланца с амбразурой обрабатывается так, чтобы образовалась плоская того, наличие холодильника обеспечивает плотную установку фурмы, что устраняет выбивание газа из горна.

В коническую заточку холодильника вставляется воздушная фурма, выступающая в глубь горна на 200-ЗООмм. Воздушная фурма 13 представляет собой полую медную литую или сварную коробку, заполненную водой. Подвод и отвод воды осуществляется так же, как и в фурменном холодильнике. Внутренний диаметр воздушных фурм колеблется от 150 до 200мм и определяется необходимостью получения оптимальной скорости истечения дутья из фурм.

Дутьё подводится к фурмам по кольцевому воздухопроводу 5 с внутренним диаметром до 1400мм, опоясывающему доменную печь и подвешенному к колоннам печи. Кольцевой воздухопровод соединён трубопроводом горячего дутья с воздухонагревателями. Кольцевой воздухопровод и трубопроводы горячего дутья свариваются из стальных листов толщиной 8-12мм и внутри футеруются высокоглинозёмистым кирпичом. Между кирпичом и кожухом укладывается асбестовый картон или глинисто-асбестовая набойка. Кольцевой воздухопровод сообщается с фурмами через неподвижное колено 8, подвижное колено 16 и сопло 14. Такое сложное устройство вызвано необходимостью быстрой смены сгоревших деталей фурменного прибора. Воздушная фурма, сопло, подвижное и неподвижное колена сочленяются шлифованными шаровыми заточками. Шаровые заточки подвижного и неподвижного колен выполняются в виде фланцев 4, которые крепятся болтами. Подвижное и неподвижное колена внутри футеруются шамотным кирпичом. Подвижное колено имеет патрубок 3 для чистки сопла и фурмы при попадании в них шлака. Патрубок закрывается крышкой, имеющей смотровое стекло для наблюдения за ходом процессов в печи. Неподвижное колено с помощью болтового соединения крепится к штуцерам 6 кольцевого воздухопровода 5. подвижное колено подвешивается к неподвижному колену на двух шарнирных подвесках 2 с клиньями. Затягивая клинья, можно обеспечить плотное соединение шарнирных поверхностей в рабочем положении, а ослабляя - поворот подвижного колена на подвесках.

Сопло представляет собой стальную отливку со стенкой толщиной 12-16мм. Для увеличения стойкости сопел и уменьшения потерь тепла через них при работе на высоконагретом дутье их внутренняя поверхность футеруется легковесным огнеупорным кирпичом.

Сопло прижимается к фурме, а подвижное колено к соплу с помощью натяжного устройства 1; пружина натяжного «устройства обеспечивает постоянное усилие прижатия. Натяжное устройство крепится к кожуху печи при помощи скобы, заделываемой в кожух.

вив»

Рис. 4. Чугунная лётка:

1- огнеупорная масса; 2- огнеупорная футеровка; 3- рама; 4- холодильник.

Чугунной лёткой называется отверстие (канал) в стенке нижней части горна - металлоприёмника, предназначенного для периодического выпуска чугуна.

Лёточное отверстие в горне ослабляет кожух печи, поэтому в этом месте устанавливается металлическая литая рама, прикреплённая к кожуху печи и стыкующаяся с желобом для чугуна. В раме сделано внутреннее отверстие, футерованное огнеупорным

высокоглинозёмистым кирпичом так/ что оставлен сквозной канал шириной 200-ЗООмм и высотой 400-500лш, который забивается огнеупорной массой. Для увеличения стойкости чугунной лётки она обрамлена плитовыми холодильниками горна, толщина которых доведена до 255мм, с отверстием для рамы.

9 Ю

Рис. 5. Арматура шлаковом летки

Шлаковой лёткой называется отверстие (канал) в стенке горна, предназначенное для периодического выпуска шлака из доменной печи.

Шлаковые лётки снабжены арматурой, которая называется шлаковым прибором. Шлаковый прибор состоит из ряда телескопически соединённых частей: медной штампованной или литой полой охлаждаемой водой фурмы 10, имеющей отверстие для выпуска шлака 05О-65лш, литого медного охлаждаемого полого холодильника

Устройство доменной печи

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют ее профилем (рисунок 6), в котором различают колошник 1, шахту 2, распар 3, заплечики 4 и горн 5. Для современных больших печей полезная высота равна 29-32 м. Средний объем печей 1000-3000 м 3 , самая большая печь объемом 5000 м 3 .

Рисунок 6 - Доменная печь: 1 - шихта; 2 - капли чугуна; 3 - шлак; 4 - фурмы для подачи воздуха в печь; 5 - шлаковая клетка; 6 - желоб для выпуска шлака; 7 - жидкий чугун; 8 - желоб для выпуска чугуна; 9 - чугунная летка; 10 - жидкий шлак

Доменная печь заключена в металлический кожух толщиной 20-25 мм в верхней части и 35-40 в нижней, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов. Кожух выполняют цельносварным. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая холодильниками. Материал на колошник подают при помощи транспортера. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат состоящей из большого и малого конуса с приемной воронкой. Для равномерного распределения шихты малый конус вращается вокруг своей оси, которой опускается в межконусное пространство. Большой конус опускается в доменную печь. Наличие двух поочередно опускающихся конусов обеспечивает герметизацию колошника при загрузке шихты. В нижней части печи находятся фурменные устройства, через которые подается нагретое дутье и добавки газообразного, жидкого или пылевидного топлива. Жидкие продукты плавки непрерывно стекают вниз в горн печи, в которой расположены летки для выпуска чугуна и для выпуска шлака. Через эти летки периодически выпускают продукты плавки. Таким образом, процессы в печи и подача шихты происходят непрерывно, а выпуск чугуна и шлака - периодически.

Засыпной аппарат - устройство для загрузки сыпучих материалов в шахтные печи - доменные, обжиговые и другие (рисунок 7).

Засыпные аппараты применяются главным образом в доменном производстве. Шихта в него подаётся скипами или транспортёрами. Из приёмной воронки шихта поступает сначала на малый, а затем на большой конусы. Большой конус опускается при закрытом малом, что предотвращает прорыв газов из печи в атмосферу. Для равномерной загрузки шихты по окружности колошника применяют вращающиеся распределители шихты.

В современных доменных печах на 1 т выплавляемого чугуна образуется 1250-1800 м 3 газа, отводимого из печи через колошник. Доменный или колошниковый газ используют как топливо воздухонагревателей доменных печей, коксовых печей, нагревательных колодцев и печей прокатных станов, котельных установок. На выходе из печи доменный газ содержит от 10 до 40 г/м 3 пыли, а перед подачей в горелочные устройства для предотвращения выхода их из строя (засорение и др.) содержание пыли в нем должно быть не более 5 мг/м 3 , в связи, с чем требуется обязательная его очистка.

Рисунок 7 - Засыпной аппарат доменной печи: 1 - направляющая воронка; 2 - пустотелая штанга малого конуса; 3 - распределитель шихты; 4 - газовый затвор; 5 - большой конус; 6 - руда; 7 - кокс; 8 - чаша большого конуса; 9 - основное кольцо (колошниковый фланец); 10 - штанга большого конуса; 11 - малый конус; 12 - приёмная воронка; 13 - наклонный мост; 14 - скип

Фундамент доменной печи (рисунок 8) служит для равномерной передачи давления печи с загруженными в нее сырьевыми материалами на грунт. Фундамент делится на две: верхнюю наземную - часть 1, называемую пнем, и нижнюю подземную - часть 2, называемую подошвой. Глубина заложения подошвы фундамента зависит от свойства грунта и глубины его промерзания. Размеры подошвы определяются допустимым давлением на грунт. При слабом грунте фундамент приходится опирать на искусственные основания (сван, опускной колодец и др.), чтобы избежать чрезмерных осадок фундамента, нарушающих связь печи с соседними сооружениями и вызывающих в них опасные деформации. Особенно вредны неравномерные осадки, нарушающие работу засыпного аппарата.

Рисунок 8 - Схема фундамента доменной печи

Фундамент доменной печи подвергается интенсивному тепловому воздействию и поэтому должен обладать достаточной термической прочностью, не разрушаясь и не давая трещин при нагреве. Поэтому верхняя часть фундамента выполняется из жароупорного бетона, а нижняя - из обычного. Жароупорность придается бетону применением огнеупорного наполнителя - боя шамота. В качестве связующего применяется портландцемент с тонкомолотыми добавками (молотый шамот или огнеупорная глина). Форма фундамента должна способствовать лучшему сопротивлению температурным напряжениям и равномерному распределению давления на основание.

Нижняя часть колонн крепится к фундаменту печи индивидуально либо на одном мощном опорном металлическом кольце, уложенном в фундамент. Такое опорное кольцо обеспечивает жесткость системы в случае появления трещин в фундаменте. В обоих случаях для снижения давления на фундамент под кольцом устанавливаются башмаки, которые расширяют опорную площадь каждой колонны. На современных печах устанавливают четыре опорные колонны. Для придания большей устойчивости и лучшего доступа к горну колонны устанавливают с некоторым наклоном. Во избежание повреждения при прорывах из горна жидкого чугуна низ колонн по высоте, находящейся в угрожаемой зоне, обкладывают огнеупорным кирпичом.

Металлический кожух доменной печи создает герметичность, которая необходима при работе печи при повышенном давлении газа в рабочем пространстве. В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет дно, предназначенное для герметизации печи. Верхняя часть кожуха стягивается литым стальным фланцем, являющимся опорой для засыпного аппарата.

Огнеупорная кладка предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха печи от тепловых и других вредных воздействий. Кладка печи претерпевает многообразные воздействия: температурные напряжения, давления газов, шихты и жидких продуктов плавки, химическое воздействие, абразивное воздействие опускающихся шихтовых материалов и восходящего потока газа, несущего большое количество пыли и т.д.

В различных частях печи воздействия на огнеупорную кладку различны, поэтому материал футеровки и конструкцию отдельных частей печи необходимо выбирать с учетом этих воздействий. Футеровка служит для выполнения рабочего пространства при строительстве и ремонтах доменных печей, сохранения его в процессе работы, восприятия давления материалов и газов, уменьшения потерь тепла и тепловых нагрузок на холодильники и кожух. Футеровка работает в тяжелых условиях: высокие температуры, давление газа и материалов, воздействие расплавов чугуна и шлака, различных элементов и соединений.

Основные требования к футеровке следующие: достаточная огнеупорность (способность противостоять высоким температурам не расплавляясь); высокая механическая прочность в нагретом состоянии; незначительная усадка при длительном воздействии высоких температур; низкие пористость и газопроницаемость; точность формы и геометрических размеров; высокая шлакоустойчивость.

Лещадь, являющаяся дном рабочего пространства доменной печи, состоит из довольно емкого массива футеровки и системы охлаждения, заключенных в сплошной металлический кожух.

Заплечики - элемент профиля печи, обеспечивающий желаемый характер схода материалов в горн, главный образом в фурменные очаги, определенное напряженное состояние в столбе шихты, особенно в нижней его части.

В заплечиках, расположенных над горном и расширяющихся к верху, идут конечные стадии процессов плавления, восстановления. Для успешного протекания их объем заплечиков должен обеспечить достаточное время пребывания материалов в этой зоне при соответствующей организации противотока.

Для обеспечения бесперебойной подачи сырьевых материалов в доменные печи необходимо создавать на рудном дворе. Кроме размещения запаса рудный двор используется для усреднения материалов.

Каждую доменную печь горячим дутьем обеспечивают 3- 4 воздухонагревателя. Воздухонагреватели доменной печи представляют собой отапливаемые регенеративные аппараты, назначение которых - обеспечить нагрев дутья до заданной температуры и поддерживать его на заданном уровне.

Внедрение нагрева дутья было важным этапом в развитии доменного производства, обеспечившим существенное снижение расхода топлива и повышение производительности печей. Дутье, нагретое до 150 °С, впервые было применено в 1829 г., что привело к значительному снижению расхода кокса, а главное, к существенному улучшению процессов в печи (более высокий нагрев продуктов плавки, лучшее отделение шлака от чугуна, повышение степени восстановления кремния и марганца). В 1860 г. Е. А. Каупером был впервые применён для нагрева регенеративный аппарат. Разработанная им конструкция воздухонагревателя с внутренней боковой камерой горения (рисунок 9) практически не изменилась до нашего времени и получила повсеместное распространение.

Рисунок 9 - Воздухонагреватель с внутренней камерой горения: 1 - газопровод; 2 - газовый дроссель; 3 - вентилятор; 4 - горелка; 5 - отсекающий дроссель; 6 - штуцер горелки; 7 - люк; 8 - камера горения; 9 - трубопровод горячего дутья; 10 - отделительный клапан горячего дутья; 11 - штуцер горячего дутья; 12 - внутренняя стена камеры горения; 13 - разделительная стена камеры горения; 14 - купол; 15 - подкупольное пространство; 16 - люк; 17 - термопара; 18 - кожух; 19 - радиальная стена; 20 - насадка с зонами из разного огнеупора; 21 - поднасадочная решётка и колонны; 22 - поднасадочное пространство; 23 - дымовой патрубок; 24- дымовой клапан; 25 - термопара; 26 - боров; 27 - трубопровод холодного дутья; 28 - шибер холодного дутья

Высокая эффективность нагрева дутья обеспечила быстрое и широкое его распространение. Вскоре дутье стали нагревать до 350-400, а затем до 500-700 °С. Еще в 40 - х годах 20 века на многих заводах не удавалось поднять температуру дутья выше указанных пределов не потому, что не позволяли технические средства для такого нагрева, а вследствие того, что это вызывало нарушение процесса доменной плавки. Анализ этого явления позволил определить важнейшие факторы, обеспечивающие условия для повышения нагрева дутья, к числу которых относятся:

Замена неподготовленных и особенно пылеватых руд окускованными, т.е. агломератом и окатышами;

Применение повышенного давления газов в печи;

Вдувание в горн газообразных и жидких углеводородов;

Кондиционирование дутья по влаге.

Футеровка воздухонагревателей доменной печи испытывает:

Термические нагрузки, различные по величине и характеру в зависимости от места нахождения в воздухонагревателе. Наибольшими они бывают в кладке стен и, особенно в камере горения, где наблюдаемые перепады температур максимальные;

Механические нагрузки под влиянием собственного веса огнеупоров. При их нагреве образуются также различные сжимающие напряжения в кладке, например в камере горения до 7,8 МП а, в насадке 83-117 кПа;

Воздействие пыли, которое в процессе нагрева незначительно, но резко возрастает при взятии аппарата «на тягу». Пыль и щелочные пары, диффундирующие внутрь кирпичей, способствуют фазовым превращениям, а именно образованию анортита и ганита, а в реакционной зоне - стекловидной фазы, содержащей корунд.

Существенное значение имеют приборы, служащие для непрерывного контроля состава доменного газа. Разработаны и проходят проверку различные схемы автоматического управления доменным процессом, включающие математическую обработку счетно-решающими машинами показаний приборов и автоматизацию отдельных узлов контроля регулирования: распределение потока газа по радиусу колошника, сход шихтовых материалов, тепловое состояние отдельных зон печи, распределение потока газа по окружности печи.

Для каждой доменной печи сооружают индивидуальную систему газоочистки; газ к газоочистным устройствам, располагаемым на нулевой отметке, подают от колошника по наклонному газопроводу (на печи объемом 5000 м 3 их два). Система газоочистки обычно включает несколько последовательно установленных газоочистных аппаратов. На современных отечественных печах, работающих с повышенным давлением газов, применяют две различающиеся схемы газоочистки - с дроссельным устройством, предназначенным для понижения давления газов, и с газовой утилизационной бескомпрессорной турбиной.

Большая часть печей оборудована системой очистки газов с дроссельным устройством, показанной на рисунке 10. От колошниковой части печи газы по наклонному газопроводу поступают, а сухой радиальный пылеуловитель диаметром до 16 м, имеющий сужение вверху и внизу.

Рисунок 10 - Схема системы отвода и очистки доменного газа: 1 - колошниковой части печи; 2 - радиальный пылеуловитель; 3 - безнасадочный скруббер; 4 - трубы Вентури; 5 - газопровод; 6 - дроссельное устройство; 7 - водоотделитель; 8 - листовая задвижка; 9 - коллектор

Газ в него поступает сверху и изменяет направление движения на 180°, а крупные частицы пыли осаждаются в нижнем конусе пылеуловителя, откуда пыль периодически выпускают в железнодорожные вагоны.

Далее газ попадает в безнасадочный скруббер, где частицы пыли захватываются подаваемой через форсунки водой и осаждаются в нижней части скруббера в виде шлама; газ здесь охлаждается до 35-40 °С. Затем газ проходит через нерегулируемые трубы Вентури, где частицы пыли поглощаются каплями воды, которые улавливаются в далее расположенном каплеуловителе.

Окончательная очистка газа происходит в дроссельном устройстве. Последнее предназначено для снижения давления газа и одновременно обеспечивает его очистку, работая как газоочистной аппарат по тому же принципу, что и трубы Вентури. Далее газ проходит через водоотделитель и через листовую задвижку поступает в коллектор (цеховую сеть). По газопроводу газ отводят на колошник для уравновешивания давления в межконусном пространстве.

Доменная печь, или, как её часто называют, домна, предназначена для выплавки железа из железной руды. Происходит это в результате химических реакций, протекающих при высокой температуре. На заключительной стадии процесса выплавленное железо насыщается углеродом и превращается в чугун (см. Железо, сталь, чугун).

Доменная печь.

В домне расплавляют, как правило, не железную руду, а агломерат (спекшуюся в куски мелкую руду) или окатыши (комки сферической формы, получаемые из мелкой руды или тонкоизмельченного концентрата). Их загружают в печь послойно, перемежая коксом. Так же послойно в домну добавляют флюсы - известь, песок и некоторые другие вещества. Для чего они нужны?

Вместе с агломератом и окатышами в домну Попадает порода, не содержащая железа. Металлурги называют её пустой породой. Её надо удалить, чтобы она не попала в чугун при его затвердевании. Флюсы заставляют пустую породу и некоторые другие ненужные вещества (все это называют шлаком) всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак уже нетрудно слить в специальный ковш. Итак, агломерат (или окатыши), кокс, флюсы входят в смесь материалов, которая загружается в домну и называется шихтой.

Домна напоминает большую круглую башню и состоит из трех основных частей: верхняя часть - колошник, средняя - шахта и нижняя - горн. Внутри доменная печь выложена (футерована) огнеупорной кладкой. Чтобы предотвратить разгар кладки и защитить кожух печи от высоких температур, используют холодильники, в которых циркулирует вода.

Через колошник порциями, по нескольку тонн в каждой, в домну загружается шихта. Загрузка идет непрерывно. Для этого возле доменной печи устраивают бункер - склад, куда доставляют агломерат (или окатыши), кокс и флюсы. В бункере из них при помощи автоматизированных вагонов-весов составляют шихту. В бункеры больших современных домен сырье подается непрерывно - транспортерами. Также транспортерами в современных домнах подается шихта из бункера на колошник. В старых домнах для этого применяются вагончики-скипы, которые курсируют по наклонным рельсам.

Под действием собственного веса шихта опускается, проходя через всю домну. В средней части печи - шахте - её омывают идущие снизу вверх газы - продукты горения кокса. Они нагревают шихту, а затем уходят из домны через колошник. Но самое главное происходит в нижней части домны - горне.

Здесь в кожухе домны имеются фурмы - специальные устройства для подачи в печь сжатого горячего воздуха. В фурмах устроены окошки, защищенные стеклами, через которые доменщики могут заглянуть внутрь печи и увидеть, как идет процесс. Чтобы фурмы не сгорели, их охлаждают водой, протекающей по каналам внутри фурм.

Горячий воздух нужен для того, чтобы еще сильнее подогреть шихту перед расплавлением. Это позволяет снизить расход дорогостоящего кокса и повышает производительность домны. Кроме того, для еще большего снижения расхода кокса в домну вводят в качестве источника тепла природный газ или мазут. Воздух перед подачей в фурмы нагревают в высоких башнях, заполненных внутри кирпичом, - воздухонагревателях.

В горне домны сгорает кокс (а также природный газ или мазут), развивая очень высокую температуру - свыше 2000 °C, под действием которой руда полностью расплавляется. Сгорая, кокс соединяется с кислородом воздуха, и образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры углекислый газ превращается в оксид углерода, который отнимает у железной руды кислород, восстанавливая железо. Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун. Жидкий чугун скапливается на дне горна, а на его поверхности собирается слой более легкого шлака.

Когда в горне накопится достаточное количество чугуна, его выпускают через отверстия в нижней части горна - летки. Сначала выпускают шлак через верхнюю летку, потом чугун через нижнюю. Далее чугун попадает в канавы, откуда его сливают в большие чугуновозные ковши, стоящие на железнодорожных платформах, и отправляют на дальнейшую обработку.

Если чугун предназначен для изготовления отливок - литейный чугун, - он попадает в разливочную машину, где застывает в виде брусков - чушек. Если же чугун предназначен для передела в сталь (передельный чугун), его транспортируют в сталеплавильный цех. Там он попадает в мартеновские печи, конвертеры или электропечи (см. Электрометаллургия). Из всего количества выпускаемого чугуна примерно 80% приходится на долю передельного.

Первая домна Магнитогорского металлургического комбината, вступившая в строй в 1932 г., имела объем 900 м 3 . В 1986 г. на Череповецком металлургическом заводе начала работать домна «Северянка» объемом 5500 м 3 , одна из самых больших в мире.

Раньше доменные печи выпускали чугун каждые 3–4 ч. С увеличением их объема выпуск чугуна ускорился - каждые 2 ч. Большие домны - объемом 3000 м 3 и более - выпускают чугун практически непрерывно.

В современных гигантских домнах для поддержания горения применяют не только нагретый воздух, но и природный газ вместе с чистым кислородом. Это повышает производительность агрегата, снижает расход кокса, но в то же время затрудняет управление технологическим процессом. Поэтому сейчас в доменных цехах все чаще появляются электронные вычислительные машины. Они анализируют показания многочисленных приборов, контролируют ход процесса, выбирают наилучшие режимы плавки.