Доменная печь — назначение, элементы и продукты производства

Содержание

Основной процесс протекающий в доменной печи выражается суммарным уравнением

Как правильно рассчитать значение энергии Гиббса и тепловой эффект реакции

Задача 1117.
Пользуясь данными таблиц приложения, установить, какие из перечисленных восстановителей могут восстановить Fe₂О₃ до свободного металла: а) Zn; б) Ni; в) Н₂S.
Решение:
Уравнения реакций:

ΔG 0 (Fe₂O₃) = -740,8 кДж/моль; ΔG 0 (NiO) = -211,6 кДж/моль;

ΔG 0 (ZnO) = -320,88 кДж/моль; ΔG 0 (H₂S) = 33, кДж/моль;

ΔG 0 (H₂O) = -228,8 кДж/моль.

Рассчитаем значение энергии Гиббса для каждой реакции, получим:

ΔG 0 (а) = 3ΔG 0 (ZnO) — ΔG 0 (Fe₂O₃) = 3(-320,88) – (-740,8) = -221,84 кДж;

ΔG 0 (б) = 3ΔG 0 (NiO) — ΔG 0 (Fe₂O₃) = 3(-211,6) – (-740,8) = 106 кДж;

=3(-228,8) – [3(33) + (-740,8) = -44,6 кДж.

Так как ΔG 0 (а) и ΔG 0 (в) 0 (б) > 0, то никель не может восстановить Fe₂О₃ до свободного металла.

Определение теплового эффекта реакции

Задача 1118.
При выплавке железа из магнитного железняка одна из протекающих в доменной печи реакций выражается уравнением: Fe₃O₄ + СО = 3FeO + СO₂. Пользуясь данными таблиц приложения, определить тепловой эффект реакции. В каком направлении сместится равновесие этой реакции при повышении температуры?
Решение:
Уравнение реакции:

ΔH 0 (Fe₃O₄) = -1014,8 кДж/моль; ΔH 0 (FeO) = -244,5 кДж/моль;

ΔH 0( CO) = -137,2 кДж/моль; ΔH 0 (CO₂) = -394,6 кДж/моль.

Рассчитаем тепловой эффект реакции, используя следствие из закона Гесса, получим:

ΔH 0 x.p.= 3ΔH 0 (FeO) + ΔH 0 (CO) – [ΔH 0 (Fe₃O₄) + ΔH 0 (CO)] =

= [3(-244,5) + (-394,6)] – [(-1014,5) + (-137,2)] = 23,6 кДж.

Термохимическое уравнение будет иметь вид:

Так как реакция эндотермическая, то при повышении температуры, согласно принципу Ле Шателье, равновесие системы сместится вправо, в сторону уменьшения теплоты.

Доменный процесс печи

Сталями принято считать сплавы железа с углеродом с содержанием последнего до 2,14%. Все, что имеет более высокое содержание углерода – это чугуны. Получают стали на основе двух процессов — доменного (в результате получается передельный чугун) и собственно получения стали, когда из передельного чугуна путем выжигания углерода и добавки легирующих элементов получают стали и сплавы нужной марки и нужного состава.

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.

Процесс и схемы

Процесс доменной плавки (процесс получения передельного чугуна) осуществляется в шахтных печах (домнах). Домна, схематический разрез которой дан на рис. 5.1, представляет из себя устройство в виде конуса в верхней части высотой в несколько десятков метров, обложенное изнутри огнеупорным кирпичом и снаружи стянутое железными обручами или окруженное сплошной железной оболочкой. Верхняя часть домны носит название шахты и заканчивается наверху отверстием — колошником, которое закрывается подвижной воронкой – колошниковым затвором. Самая широкая часть домны называется распаром. Нижняя часть домны образует горн. В горне имеются отверстия – фурмы, через которые в печь вдувается горячий воздух.

При запуске доменную печь загружают сначала углем (коксом), а потом послойно смесью руды с флюсом и углем и чистым углем. Нижние слои угля зажигают, после чего горение и необходимая для выплавки температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого в рекуператорах тепла воздуха. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по распределительным трубкам через фурмы в горн. В горне уголь сгорает, превращаясь в углекислый газ, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слой раскаленного угля, превращается в оксид углерода. Этот оксид углерода восстанавливает основную часть руды, превращаясь снова в углекислый газ. Однако такая схема не полностью отражает многообразие химических реакций, протекающих в печи. Порядок превращения руды в чугун и распределение температур изображены на рис. 5.2.

Рис. 5.1. Схематическое изображение шахтной печи для получения чугуна (домны).

Рис. 5.2. Схема химических реакций, протекающих по высоте доменной печи.

В нижней части печи, как уже упоминалось, происходит горение кокса по реакции:

+ =

Здесь угловыми скобками обозначено твердое состояние, фигурными – газообразное.

Проходя вверх далее через слой раскаленного угля, СО₂ превращается в оксид углерода:

+ = 2

Монооксид углерода является сильным восстановителем и именно он восстанавливает железо из руд. Реакция идет постадийно, что и отображено на рисунке. В результате образуются крупинки твердого железа.

По мере сгорания угля это железо опускается вниз по печи в ее более горячую часть — распар, и здесь при температуре порядка 1200°С плавится при соприкосновении с углем, отчасти растворяя его и образуя заэвтектический чугун с содержанием углерода 4-4,5%. В то время как чистое железо плавится при 1535°С, чугун в точке эвтектики плавится при 1150°С, поэтому капли жидкого чугуна стекают в нижнюю часть горна. Для того, чтобы сэкономить тепловую энергию отходящих газов и возвратить ее в процесс, отходящие газы из домны направляются в т.н. «кауперы», где газы отдают часть тепла. Сначала эти газы направляются в один из кауперов, в то время как через второй продувается воздух для последующей подачи в домну, где он нагревается. Через определенные промежутки времени потоки меняются местами.

Одновременно с восстановлением железа происходят процессы отделения пустой породы от целевого продукта через образование шлака при взаимодействии примесей с флюсовыми добавками. Конечный шлак на 85-95% состоит из SiO₂, Al₂O₃ и СаО; остальное — MgО (2-10%), FeO (0,2-0,6%), MnО (0,3-2%) и 1,5-2,5% серы в виде CaS. Стремятся создать наиболее легкоплавкий шлак, поэтому, в зависимости от типа примесей в используемой руде в шихту добавляют либо кислые (SiО₂), либо щелочные компоненты (оксиды кальция и магния).

Для выпуска жидких продуктов плавки используют раздельно чугунные и шлаковые летки.

Поскольку шлак – многокомпонентная система, кроме того, процесс перехода из твердого в жидкое состояние осуществляется в достаточно большом интервале температур, вязкость шлака определяется не только температурой, но и составом шлака, поэтому у каждого типа шихты свои особенности.

Еще одна проблема, которая наблюдается в доменном процессе и которую решают для каждого типа шихты по-разному – это проблема серы. Сера – вредный элемент, ухудшающий качество металла. Она является причиной красноломкости стали и ухудшает качество литейных чугунов, увеличивая вероятность образования раковин в отливках. Ограничения по сере для стали и литейного чугуна весьма серьезны – в этих материалах ее не должно быть более нескольких сотых процента. Вместе с тем, если не принимать каких-либо специальных мер, в чугуне может набраться до 0,9% серы. Поскольку серу легче удалять из руд и чугунов, чем из стали, именно на стадии подготовки компонентов шихты и в доменном производстве эти операции и производятся.

Хотя значительное количество серы удаляется при огневой обработке руд (агломерации и обжиге окатышей), очень много серы вносится в доменную печь с коксом и железорудными материалами в виде сернистого железа (пирита FeS₂), барита BaSO₄ и гипса CaSO₄ * H2O.

Часть серы удаляется при проведении технологических процессов естественным путем через образование газов (SO₂, H₂S и др.), но это лишь небольшая часть, по оценке для обычного доменного процесса порядка 15%. Поэтому основное внимание обращается на перевод соединений серы, растворяющихся в чугуне, в соединения, в нем не растворяющихся, например, по реакции:

Читать статью ОБОРУДОВАНИЕ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

FeS + CaO = CaS + FeO
FeO + C = Fe + CO

FeS +CaO + C = CaS +Fe + CO

Существуют и другие способы десульфуризации, что позволяет в целом решать эту проблему при использовании самых различных руд.

Конечными продуктами доменной плавки являются чугун (целевой продукт) и шлак и доменные газы (побочные продукты производства). Нас в данном случае интересует только чугун, на нем и остановимся.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем и серой. В зависимости от назначения чугуна в нем могут содержаться и другие вещества, содержание которых регламентируется соответствующими стандартами.

Основной вид чугуна, производимый в доменном производстве, — это передельный чугун (до 90% от всего выпускаемого чугуна), который затем используют для получения различных видов сталей.

Производство чугуна имеет и самостоятельное значение, поскольку некоторые виды используют для отливок. Для получения чугунных отливок используется и небольшая часть передельного чугуна. Некоторые типы чугунных изделий можно оцинковывать, но об этом мы поговорим позже.

В зависимости от назначения чугуна последний перевозится от доменных печей чугуновозами в жидком виде либо в сталеплавильные цехи, либо на разливочные машины (при выплавке товарного чугуна).

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

Общая схема теплообмена в доменной печи

Анализ теплоемкостей потоков газа и шихты, а также кажущейся теплоемкости шихты по высоте доменных печей показал, что теплоемкость газового потока практически не меняется (рис. 27, а), так как уменьшение с_г по мере его охлаждения компенсируется увеличением количества более теплоемких газов, образующихся в результате восстановления рудной части шихты и разложения карбонатов. Теплоемкость потока шихты существенно изменяется, что вызывается спецификой доменного процесса. В верхних частях печи, где происходит нагрев шихты и удаляется влага, а химические процессы непрямого восстановления протекают с незначительным выделением тепла, значение W_M меняется на относительно небольшую величину, а следовательно, мало изменяется и отношение W_M/W_r, которое для этой области печи приблизительно равно 0,8.

В нижних частях печи наряду с расплавлением шихты и перегревом расплава протекают процессы прямого восстановления, на развитие которых затрачивается значительное количество тепла. Так, для восстановления диоксида углерода коксом требуется 7090 кДж/м 3 С0₂. Это приводит к трехкратному увеличению теплоемкости потока шихты. В результате этого процесса, а также других эндотермических процессов величина отношения W_M/W_r с учетом затрат тепла на протекание химических реакций в нижней части печи увеличивается до трех и более. Отсюда можно сделать вывод, что теплообмен в доменной печи в принципе совершается по всем трем схемам, смещенным по высоте, каждая из которых характеризуется различным соотношением теплоемкостей потоков, а именно: для верха печи W_M W_r Практически же можно считать, что теплообмен совершается только в двух ступенях, исключив участок, где W_M

На рис. 27, б и в изображена описанная общая схема теплообмена. Она характеризуется следующими основными чертами:

Доменная печь — назначение, элементы и продукты производства

Это огромная вертикальная печь, действующая беспрерывно. Сырье в печь подается сверху, через загрузочную шахту. Сырьем для плавки являются кокс, железная руда и добавки (известняк), помогающие извлечь из руды ненужные примеси. Загруженные ингредиенты нагреваются горячим воздухом в основной части домны. В процессе нагрева коксующийся уголь, сгорая, выделяет оксид углерода, служащий процессу восстановления железной руды. Появившиеся в процессе восстановления железной руды шлаки соединяются с добавками (известняком). На этом этапе шлаки находятся в жидком состоянии, а выделившийся металл — в твердом.

Металл опускается по печи ниже и подвергается процессу распаривания. В этом отсеке печи температура достигает 1200 градусов по Цельсию, что способствует расплавке металла. Шлак, имеющий плотность, меньшую в сравнении с металлом, остается на расплавленной поверхности металла, что предотвращает окислительные процессы. Скорость, с которой происходит процесс опускания чугуна по домне, называется производительностью. Чем быстрее он происходит, тем больший коэффициент производительности доменной печи. Разделение шлака и готового чугуна проводится на последнем этапе через специальные отверстия и имеет свои технологические особенности.

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.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

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

Работа доменной печи — важная составная современной черной металлургии. В современном производстве применяется только оборудование с высоким уровнем производительности. Кроме того, прогрессивные доменные печи оснащены системами автоматики. Роль автоматики заключается в том, чтобы регулировать, контролировать и регистрировать главные характеристики рабочих операций по выплавке. Современная печь может контролировать уровень, на который засыпана шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность таких печей растет, можно сказать, в ногу со временем. Усовершенствования системы выплавки позволяют увеличить производительность оборудования в несколько раз.

Схема доменной печи дает визуальное понятие принципа ее работы. Здесь можно пронаблюдать, как меняется конструкция оборудования в местах повышенного температурного режима. Также, с учетом схемы, можно увидеть, где засыпаются составляющие сырья и до какого уровня.

Процессы в доменной печи происходят в строго установленном порядке. Сама печь имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может немного отличаться, но не превышает 35 м. Диаметр сооружения, как правило, в 2,5 – 3 раза меньше. Процесс протекает в определенной последовательности. Сначала происходит восстановление железа. Затем восстанавливаются другие элементы – фосфор, сера и прочие. Образующийся шлак, уже существенно поменявший свои составные, стекает вниз и накапливается в области горна. Именно химическим составом шлака определяется состав чугуна.

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.

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?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Читать статью Железные руды — виды, месторождения. Доменный процесс
Основной принцип

Принцип работы домны заключается в непрерывности металлургического процесса на весь срок эксплуатации печи до очередного капремонта, который производится раз в 3-12 лет; общий срок службы домны может превышать 100 лет. Доменная печь шахтная: сверху в нее периодически погружают порциями (колошами) шихту из руды с известняковым флюсом и кокс, а снизу также периодически выпускают расплавленный чугун и сливают расплав шлака, т.е. столб исходных материалов в шахте домны постепенно оседает, превращаясь в чугун и шлак, а сверху его наращивают. Однако путь черной металлургии к этой вроде бы несложной схеме был долог и труден.

Постройка

Схема постройки Доменной печи

Слой 4

Печь строится в виде параллелепипеда 3х3х4 (4 блока в высоту) с пустым местом в центре из 34 специальных блоков доменных кирпичей . В общем для постройки одной печи потребуется 36 блоков адского кирпича, 36 блоков песка душ и 9 единиц лавового крема (2 блока получатся лишние). Когда печь закончена, внизу должны появиться окошки в нижних блоках по бокам. Печи не могут быть построены на смежных блоках, между ними должно быть расстояние минимум в 1 блок.

Также есть пламенный кирпич

, который выглядит какдоменный кирпич , но из него не получится построить печь. Его можно попробовать использовать для декоративных целей или же сделать доменный кирпич.

I. Доменная печь.

Доменная печь — шахтная печь для выплавки различных сортов чугуна; в ней рабочее пространство вытянуто в высоту; перемешанные топливо и обрабатываемые материалы опускаются навстречу подымающимся газам. Исходные материалы доменной плавки — руду, флюс и топливо — загружают в верхнюю часть печи, называемую колошником; воздух, необходимый для горения топлива, подается в нижнюю цилиндрическую часть, называемую горном, через охлаждаемые водой коробки — фурмы. Сгоревшее у фурм топливо образует горячие газы, которые, поднимаясь снизу вверх, с одной стороны, нагревают до расплавления опускающиеся сверху вниз материалы, с другой — восстанавливают часть железа из руды; газы уходят через колошник печи. Остальная часть железа руды и другие элементы восстанавливаются твердым углеродом топлива и образуют с углеродом, поглощаемым железом, чугун. Чугун и шлак, получающийся от сплавления пустой породы руды, флюса и золы топлива, стекают в нижнюю часть горна печи, образуя два слоя: нижний — чугун и верхний — шлак; и тот и другой выпускаются через особые отверстия — летки. Выше горна находится коническая расширяющаяся вверх часть печи — заплечики, а далее коническая суживающаяся кверху часть — шахта, имеющая часто внизу цилиндрическую форму. Самое широкое место рабочего пространства печи на границе заплечиков и шахты называется распаром.

Конструкция отдельных частей печи и ее вспомогательных устройств преследует две цели: создать правильное распределение материалов и газов по поперечному сечению печи и всемерно уменьшить обязательные и вынужденные остановки в работе печи. Для этого печь должна иметь рациональный профиль (т. е. внутреннее очертание вертикального сечения печи по ее оси) и возможно простые, а главное, надежные и выносливые в работе, отдельные части самой печи и вспомогательных устройств. Величина первоначальных затрат играет в данном случае совершенно подчиненную роль.

Размеры коксовых и древесноугольных печей. В настоящее время доменные печи работают гл. обр. на коксе и лишь отчасти на древесном угле (из коксовых печей получается 99% всей мировой добычи чугуна, а из древесноугольных — только около 1%). Различие между коксовыми и древесноугольными печами заключается гл. обр. в их величине. Коксовые печи, при горючем — коксе — более прочном (сопротивление раздавливанию равно 100—180 кг/см2) и менее растирающемся и размельчающемся при движении шихты в печи, чем древесный уголь (сопротивление раздавливанию равно 30—40 кг/см2 поперек волокон при хорошем выжиге и 5—8 кг/см2 при плохом выжиге), имеют полезную высоту большую, чем древесноугольные; так, при лучшем дургамском (Англия) и коннельсвильском (Америка) коксе полезная высота печей (расстояние от уровня материалов на колошнике до низа выпускного для чугуна отверстия) 25—27 м; при лучшем коксе Донбасса – 23—25 м, а при слабом – 20—23 м; при лучшем сметничном древесном угле — 18 м, при обыкновенном – 15 м. Суточная производительность больших древесноугольных печей равна всего 50—100 т, коксовых же 300—600 и даже 1000 т.

От домницы к домне

Сыродутный процесс во многом зависел от погоды: нужно было, чтобы ветер обязательно задувал в «трубу». Стремление избавиться от капризов погоды привело к созданию мехов, которыми раздували огонь в сыродутном горне. С появлением мехов отпала надобность устраивать сыродутные горны на склонах. Появились печи нового типа — так называемые волчьи ямы, которые выкапывали в земле, и домницы, которые возвышались над землей. Их делали из камней, скрепленных глиной. В отверстие у основания домницы вставляли трубку мехов и начинали раздувать печь. Уголь сгорал, а в горне печи оставалась уже знакомая нам крица. Обычно, чтобы вытащить ее наружу, выламывали несколько камней в нижней части печи. Затем их опять закладывали на место, заполняли печь углем и рудой, и все начиналось сначала.

Само слово «домница» происходит от славянского слова «дмути», что означает «дуть». От этого же слова происходят слова «надменный» (надутый) и «дым». По-английски доменная печь называется, как и по-русски, дутьевой — blast furnace. А во французском и немецком языках эти печи получили название высоких (Hochofen по-немецки и haut fourneau по-французски).

Домницы становились все больше. Увеличивалась производительность мехов; уголь горел все жарче, и железо насыщалось углеродом.

При извлечении крицы из печи выливался и расплавленный чугун — железо, содержащее более 2% углерода и плавящееся при более низких температурах. В твердом виде чугун нельзя ковать, он разлетается на куски от одного удара молотом. Поэтому чугун, как и шлак, считался вначале отходом производства. Англичане даже назвали его «свинским железом» — pig iron. Только потом металлурги сообразили, что жидкий чугун можно заливать в формы и получать из него различные изделия, например пушечные ядра.

К XIV-XV вв. доменные печи, производившие чугун, прочно вошли в промышленность. Высота их достигала 3 м и более, они выплавляли литейный чугун, из которого лили уже не только ядра, но и сами пушки.

Подлинный поворот от домницы к домне произошел лишь в 80-х годах XVIII в., когда одному из демидовских приказчиков пришла в голову мысль подавать дутье в доменную печь не через одно сопло, а через два, расположив их по обеим сторонам горна. Лиха беда начало! Число сопел, или фурм (как их теперь называют), росло, дутье становилось все более равномерным, увеличивался диаметр горца, повышалась производительность печей.

Еще два открытия сильно повлияли на развитие доменного производства. Долгие годы топливом доменных печей был древесный уголь. Существовала целая отрасль промышленности, занимавшаяся выжиганием угля из дерева. В результате леса в Англии вырубили до такой степени, что был издан специальный указ королевы, запрещающий уничтожать лес ради нужд черной металлургии. После этого английская металлургия стала быстро затухать. Британия была вынуждена ввозить чугун из-за границы, главным образом из России. Так продолжалось до середины XVIII в., когда Абрагам Дерби нашел способ получения кокса из каменного угля, запасы которого в Англии очень велики. Кокс стал основным топливом для доменных печей.

С изобретением кокса связана легенда о Даде Дадли, который якобы изобрел коксование еще в XVI в., задолго до Дерби. Но фабриканты древесного угля испугались за свои доходы и, сговорившись, убили изобретателя. В 1829 г. Дж. Нилсон на заводе Клейд (Шотландия) впервые применил вдувание в домны нагретого воздуха. Это нововведение повысило производительность печей и резко снизило расход топлива. Последнее значительное усовершенствование доменного процесса произошло уже в наши дни. Суть его — замена части кокса дешевым природным газом.

Описание и процессы

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.

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

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

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по 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

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:

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;

скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;

вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;

вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);

большой конус поднимается, отсекая доменные газы;

малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;

малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;

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.

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.

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.

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.

Образование шлака

При требуемой температуре железо, восстановленное из руды, при определенных реакциях растворяет углерод. За счет этого происходит снижение температуры плавления, и железо расплавляется при температуре приблизительно 1300°С. Получившийся сплав, соприкасаясь с коксом, насыщается такими элементами, как кремний, фосфор, углерод, марганец, восстанавливаемые из руды. Насыщение серой происходит при температуре 1200 градусов из кокса. Внизу печи при сплавлении флюсов, пустой породы руды и золы образуется шлак, содержащий в составе окислы тех же элементов, что и сплав. Состав шлака, как и чугуна, определяется составом исходной шихты. Из-за того, что шлак имеет меньшую плотность, он располагается на поверхности чугуна.

Готовый чугун выпускается из печи через летку каждые 3-4 часа. Шлак также выпускается через другую летку через 1-2 часа. Летки открываются посредством специального устройства, а потом их закрывают огнеупорным составом. Чугун и шлак сливается в специальные ковши и чаши. Далее чугун отправляется в цех — мартеновский или кислородно-конвертерный, — где происходит его дальнейшая обработка. Продукты, получаемые в результате доменного процесса Самым главным продуктом, получающимся в результате плавки, являются чугуны, которые бывают разных видов — литейные и передельные. Они имеют различное содержание компонентов, в зависимости от чего происходит их дальнейшее использование.

Наряду с основным продуктом при плавке получаются дополнительные продукты — шлак, колошниковый газ и колошниковая пыль. Шлак используется для изготовления строительных материалов. К примеру, если его вылить в воду, получится материал, имеющий мелкозернистую структуру. Впоследствии его применяют для производства кирпичей, цемента и других материалов.

Колошниковый газ, образующийся при сгорании топлива, очищается специальным методом от пыли и частиц руды. Его применяют в качестве топлива в доменных печах и котлах, работающих на воде или на пару. Если смешать колошниковый газ с природным, то его можно использовать в мартеновских печах.

Еще одним продуктом доменной плавки является колошниковая пыль. Она содержит в своем составе от 40 до 50% железа и широко применяется при агломерации.

Домна, или доменная печь – это сложный комплекс технологического оборудования, используемый в металлургической промышленности для получения черного металла. Фактически, это большое сооружение, которое включает в себя не только печь, но и вспомогательные узлы.

Для чего нужна доменная печь? Цель у нее одна – получение чугуна, который будет использоваться в металлургии для изготовления машин, оборудования и прочих металлсодержащих изделий.

Источник https://all-equa.ru/articles/osnovnoy-protsess-protekayuschiy-v-domennoy-pechi-vyrazhaetsya-summarnym-uravneniem/

Источник https://tverdotop-kotel.ru/domennaa-pec-domennaa-pec-ustrojstvo-domennoj-peci-i-shema-domennogo-proizvodstva/