Как работает доменная печь и для чего она используется?

Устройство и работа доменной печи

Назначение доменной печи — осуществление процессов выплавки ферросплавов и чугуна. Для производства этих материалов используется железорудное сырье. История происхождения названия такого оборудования уходит корнями в 14 век. Термин «доменная» возник от слова дутье. Первые печи появились в Европе, а затем, уже после 16 века, пришли в Россию.

Устройство доменной печи выглядит следующим образом: печь установлена на фундаменте, а снаружи ее покрывает стальной кожух. Фундамент достаточно высок, его поверхностная, жароустойчивая часть называется пнем. Кожух обычно имеет толщину от 4 до 6 см, внутри него, вдоль стенок, находятся огнеупорные изделия. На верхушке фундамента выложена лещадь, подвергающаяся гидростатическому давлению выплавляемой массы и воздействию высоких температур. Кладки лещади, находящиеся внутри кожуха, окружают специальные холодильники. Они представлены чугунными плитами со змеевиками, по которым осуществляется циркуляция воды.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

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

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

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

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

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

Принцип работы оборудования

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

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

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

Шихта в современном понимании – это смесь кокса, железорудного агломерата и офлюсованного сырья. Перед процессом плавки шихта проходит специальную подготовку. Сначала она дробится, затем просеивается. После просеивания крупные куски отправляются на повторное дробление.

Результатом процесса горения становится повышение температуры. Высшая температурная точка может достигать значения более 2000 градусов Цельсия. Процессы происходят под давлением горячих газов. При подъеме эти газы остывают до 300-400 градусов у кокошника.

Назначение печей

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

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

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления. Существуют печи коксовые и древесноугольными. Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле. Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Индустриальная доменная печь, называемая плавильной, предназначена для перевода обрабатываемого материала из одного состояния в другое. Так, твердое состояние постепенно, под воздействием температуры, превышающей температуру плавления, переходит в жидкое. Материал, доведенный до жидкого состояния может находиться во взвешенном положении, а также в кристаллизаторе, тигле, горне шахты или ванне на подине. Индустриальные доменные печи применяются в целях производства металлов из руд. Именно в них проходят еще процессы выплавки цветных металлов и стали, варки стекла и прочих.

Ремонт доменных печей можно проводить несколькими способами. Основные ремонтные работы производятся по мере необходимости или в связи с плановым капитальным ремонтом. Именно в этот период непрерывный процесс работы приостанавливается. Капитальный ремонт делится на три вида разрядов. По первому ремонтному разряду надлежит выпускать из горна жидкие продукты плавки полностью и проводить тщательный осмотр всего оборудования. Второй разряд обозначает средний ремонт с заменой некоторых элементов. Третья категория ремонта подразумевает смену засыпных устройств и поправку колошниковой защиты.

Как работает доменная печь и для чего она используется?

Доменная печь представляет собой вертикальное плавильное сооружение шахтного типа, предназначенное для восстановления при помощи продуктов сгорания каменноугольного кокса (водорода, оксида углерода или твердого углерода), находящихся в железной руде, окатышах или агломерате оксидов железа с целью получения переделочного или литьевого чугуна.

Особенностью эксплуатации таких сооружений является необходимость обеспечения непрерывности процесса выплавки металла на протяжении 15-20 лет (до выполнения планового капитального ремонта). Такая специфика объясняется тем, что при понижении температуры или остановке печи все находящиеся внутри компоненты (расплавленный чугун, шихта и шлак) спекаются в единую массу, которая не поддается плавлению.

Особенности устройства доменной печи

Независимо от производительности и размеров все доменные печи имеют схожую, относительно простую конструкцию, состоящую из нескольких основных элементов.

Фундамент

Фундамент должен выдерживать общий вес самой печи и находящегося в ней расплава, который может достигать десятков тысяч тонн. Конструкция состоит из двух частей: нижней (подошвы), представляющей собой бетонную плиту толщиной не менее 4 м, и верхней (пня), для изготовления которой используют жаропрочный бетон.

Колошник

Колошник – расположенный в верхней части печи элемент цилиндрической формы, предназначенный для загрузки железной руды, кокса и шихты. Подающиеся при помощи скипового подъемника материалы поступают во вращающуюся, имеющую отверстия в нижней части, воронку, которая пропускает загруженную шихту в малый конус и, возвращаясь в исходное состояние, перекрывает выход доменным газам. Малый конус опускается и высыпает загрузку в межконусное пространство, откуда она поступает в обратно-конический (вогнутый) затвор шахты печи, после чего поднимается и цикл начинается сначала. Благодаря такой схеме работы загружаемые материалы распределяются послойно, повторяя форму затвора.

Шахта

Самая крупная часть печи, представляющая собой в разрезе урезанный, расширяющийся в нижней части, конус. Именно в этой части печи происходит физико-химическое взаимодействие между загруженными материалами и газами, выделяющимися в процессе горения кокса.

Распар

Самый большой в диаметре элемент, имеющий цилиндрическую форму, в котором начинается процесс шлакообразования и плавления при температуре около 1400°C. Ширина распара обусловлена необходимостью понижения скорости движения газового потока с целью предотвращения подвисания смеси загруженных материалов.

Заплечики

Элемент в форме усеченного сужающегося в нижней части конуса, в котором происходит дальнейшее плавление шлака и металла при более высоких температурах (в пределах 1600-1900°C).

Горн

Горн располагается в нижней части доменной печи и состоит из двух компонентов. В фурменной зоне расположены приборы, обеспечивающие подачу под давлением обогащенного на 23-25% кислородом воздуха, подогретого до температуры 1100—1400°С. Второй компонент, металлоприемник, оснащен отверстиями (летками) для выпуска расплавленного чугуна и шлака.

Лещадь

Лещадь представляет собой испытывающую самую высокую температурную нагрузку и давление нижнюю часть металлоприемника, изготовленную из жаропрочных углеродистых или высокоглиноземистых материалов и оснащенную системой охлаждения.

Внешне все элементы печи защищены металлическим кожухом, изготовленным из листов высокопрочной жаростойкой стали толщиной 30-50 мм в области пода, горна и заплечиков и 22-45 мм в области купола, колошника и шахты. Внутренняя часть футеруется огнеупорным шамотным, высокоглиноземистым или углеродистым кирпичом.

Сырье и топливо

В процессе выплавки чугуна в доменной печи задействованы следующие компоненты:

• Рудные материалы, представляющие собой обогащенную, содержащую малое количество пустой породы, железную руду в форме окатышей или агломерата (руда в необработанном виде применяется крайне редко и в небольших количествах). Переход с руды на подготовленное сырье позволил повысить продуктивность производства на 25-30% при одновременном снижении потребления кокса на 15-20%.
• Флюсы – специальные добавки, содержащие в своем составе оксиды магния и кальция. Благодаря введению в состав шихты флюсов температура плавления тугоплавкой коксовой золы и пустой породы рудной части снижается до 1300—1400°C. Обычно в виде флюса при выплавке применяют обычный или доломитизированный известняк.
• Чаще всего для достижения требуемых для выплавки температур применяется каменноугольный кокс. Помимо обеспечения высоких температур, содержащийся в коксе углерод выступает в роли восстановителя железа из рудных материалов, а также, являясь твердым топливом и находясь в составе шихты, способствует улучшению ее газопроницаемости. В составе шихты доля кокса составляет примерно 50% от общего объема, а расход — около 200-450 кг для выплавки 1 т переделочного чугуна (расход зависит от качества кокса и шихты, а также особенностей технологического процесса). Учитывая, что в себестоимости чугуна стоимость кокса составляет 40-50%, в качестве добавок (но не более 30-40% от общего объема) часто применяются более дешевые виды топлива: пылеугольное топливо (ПУТ), отходы производства горючих пластиков и другие.

Химический состав всех компонентов шихты должен быть однородным, так как изменения в нем повышают расход материалов.

Основные этапы доменного процесса

Доменный процесс условно можно разделить на несколько основных этапов.

Задувка доменной печи

На этом этапе построенная или прошедшая капитальный ремонт печь поддается сушке горячим воздухом с целью удаления остатков влаги из швов огнеупорной внутренней облицовки. Сушка выполняется на протяжении 5-6 суток с постепенным повышением температуры со 100°C до 800°C.

После высушивания футеровка печи охлаждается до 50-60°C, так как более высокая температура может привести к воспламенению кокса на этапе загрузки. Дождавшись охлаждения, в горн загружают первую партию кокса, а в печь до уровня колошника — задувочную шихту.

После полной загрузки выполняют задувку, представляющую собой, по сути, запуск печи в работу. В печь подается разогретый до температуры 700-800°C воздух с повышенным, до 25%, содержанием кислорода, что приводит к воспламенению кокса. Первый шлак получают примерно через 15 часов, а чугун – через 20-24 часа после задувки. Выход на нормальный режим работы занимает обычно несколько суток.

Процессы

В различных зонах работающей доменной печи происходят следующие процессы:

• Окисление. В нагретом состоянии кокс на уровне фурм подается в зону горения, одновременно через фурмы поступает разогретый до 1000-1300°C обогащенный кислородом воздух в объеме, превышающем объем печи примерно в два раза. Содержащийся в воздушной смеси кислород сжигает углерод, в результате чего происходит выделение углекислоты. Углекислота, в свою очередь, вступает в реакцию с углеродом с образованием монооксида углерода (CO). Одновременно вода, попадающая вместе с воздухом, под воздействием высоких температур распадается на водород и кислород. В конечном итоге в горне образуется газовая смесь, в состав которой входит 58-63% азота, 35-40 монооксида углерода и 1,5-2% водорода.
• Процесс опускания шихтовых материалов и движения газа. В результате сгорания кокса и плавления шихты в нижней части шахты печи освобождается место, в которое под собственным весом опускаются кокс и шихта из расположенного выше слоя, а в колошнике освобождается место для новой загрузки. Полный цикл, от загрузки до получения готовой продукции, занимает в среднем 5-8 часов. Образовавшийся в горне колошниковый газ, имеющий температуру 1900-2300°C, под давлением поступающего воздуха проходит через загруженную шихту, отдавая ей свое тепло, и отводится через колошник уже при температуре 150-350°C.
• Восстановление железа. Роль восстановителя в процессе получения железа из рудных материалов выполняют монооксид углерода и водород, которые, вступая в реакцию с содержащимся в оксиде железа кислородом, образуют углекислый газ и воду.
• Формирование чугуна и шлака. В результате контакта восстановленного железа с коксом происходит его насыщение углеродом, в результате чего образуется чугун – сплав, в состав которого входит 2-4% углерода и небольшие примеси кремния, магния, серы и фосфора. Благодаря разнице в весе расплавленный чугун накапливается в нижней, а шлак в верхней части пода. Расплав поступает в чугунные летки, после чего в прилегающем желобе разделяется на чугун и шлак.

Заключительным этапом рабочего цикла доменной печи, который обычно составляет до 20 лет, является выдувка, при которой остатки шихты проплавляются без добавления новых порций материала. Остатки расплава (так называемый «козловой чугун»), расположенные ниже чугунной летки, удаляются через специальное отверстие.

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

Источник https://kzmc.kz/articles/kak_rabotaet_domennaja_pech_i_dlja_chego_ona_ispolzuetsja/