Доменная печь: устройство, принцип работы, схемы. Конструкция доменной печи и вспомогательных устройств

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием производственных технологий, невозможных без совершенствования инструментов и материалов, используемых при их изготовлении.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, черные металлы, представляющие собой сплав железа и углерода с присутствием других элементов, занимают самое видное место.

Сплавы, содержащие от 2% до 5% углерода, называются чугунами, а сплавы, содержащие менее 2% углерода, называются сталями. Для выплавки металлов в доменной печи используется специальная технология.

Плавка — это процесс производства чугуна из железной руды, которая перерабатывается в доменной печи, или, как ее еще называют, доменной печи.

Основными материалами, необходимыми для этого производственного процесса, являются:

Топливо в виде кокса, получаемого из каменного угля;
Железная руда, которая является непосредственным сырьем для производства;
Флюс — специальные добавки, изготовленные из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — оборудование для производства чугуна путем восстановительной плавки железной руды или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — представляет собой круглую шахтную печь, выложенную огнеупорной кладкой.

Доменная печь оснащена охлаждающим устройством для защиты кожуха печи от перегрева. Корпус печи и колосниковая решетка установлены на фундаменте и поддерживаются колоннами.

В состав шихты входят железная руда, марганцевая руда, агломерат и окатыши. Шихта транспортируется на колосниковую решетку печи с помощью скипов или ленточных конвейеров. Скипы выгружаются в печь через приемный бункер. Воздух нагнетается через воздухонагреватели, а продукт выгружается через ковши в чаны в нижней части печи.

Современные доменные печи оснащены централизованной системой управления и контроля, обеспечивающей учет инструментальных показателей и сводных показателей работы доменной печи — расхода кокса на тонну чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Используется дополнительное топливо, что снижает потребление кокса и стоимость чугуна. Совершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья и внедрение новых, передовых, высокоэффективных технологий.

Чугун выплавляется в доменных печах, в виде шахтных печей. Суть процесса производства чугуна в доменной печи заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (CO, H2) и твердыми (C) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Плавка в доменной печи — это непрерывный процесс. Исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс) подаются в верхнюю часть печи, а нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо подаются в нижнюю часть.

Газы, образующиеся при сгорании топлива, проходят через столб заряда и отдают свою тепловую энергию заряду. Шихта нагревается, восстанавливается, а затем расплавляется.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, обеспечивая источник тепла, а часть кокса используется для восстановления железа и науглероживания.

Доменная печь — это мощное и очень эффективное оборудование, которое использует огромное количество материалов. Современная доменная печь сжигает около 20 000 тонн шихты в день и производит около 12 000 тонн чугуна в день.

Этимология

Слово «доменная печь» происходит от старославянского «думен», означающего «дуть». На других языках: доменная печь (на английском: blast furnace) и Hochofen (на немецком: high-temperature blast furnace). Hochofen — высокая топка, французское haut fourneau — высокая топка. 高炉 (gāolú) — высокая печь, хорватский Visoka peć.

Учитывая фундаментальное различие в значении слов «доменная» и «металлургическая», доменная печь производила (в виде кусков или полумесяцев) куски восстановленного сырого железа (от слова «сырой», означающего необогреваемую доменную печь), в то время как доменная печь производила жидкое железо.

Кто изобрел?

Современная доменная печь была изобретена Дж. Б. Нейлсоном, который первым стал нагревать воздух, вдуваемый в доменную печь — это произошло в 1829 году, а в 1857 году Э. A. Каупер изобрел специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило значительно снизить расход кокса более чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи были металлургическими печами, что означало, что в них вдувался необогащенный и ненагретый воздух.

Использование кауперов, или регенеративных воздухонагревателей, позволило не только увеличить производительность доменной печи, но и уменьшить или даже устранить строжку, которая наблюдалась при неадекватной технологии. Можно сказать, что это изобретение довело процесс до совершенства. Сегодня современные доменные печи основаны на этом принципе, хотя их работа теперь автоматизирована и обеспечивает большую безопасность.

История появления доменной печи

Железо (Fe) — четвертый по распространенности элемент на Земле. Однако он не встречается на нашей планете в чистом виде — разве что в виде падающих метеоритов. Поэтому люди стали получать его путем восстановления из железных руд, которые представляют собой оксиды и углекислые соли оксида Fe. А поскольку элементарная связь между Fe и O2 довольно прочная, первым изобретателям пришлось методом проб и ошибок создавать первые и, вероятно, не очень эффективные металлургические агрегаты и использовать древесный уголь, который в древности был единственным источником энергии, для получения высоких температур.

Учитывая уровень современных технологий, трудно понять, как можно было использовать доменную печь в отсутствие мощных скиповых подъемников, многочисленных приборов и датчиков, а также без природного газа и пылевидного угля. Тем не менее, по всему миру сохранилось довольно большое количество доменных печей, построенных в 17-19 веках. Большинство из них являются объектами исторического наследия и представляют собой экспонаты музеев под открытым небом. Самые ранние доменные печи были построены в Китае, о чем свидетельствует чугунное литье, датируемое 5 веком до нашей эры.

Китай

Многочисленные железные артефакты, найденные в разные годы в Китае, и ранние тибетские письмена позволяют предположить, что именно на территории современного Китая впервые был изобретен и освоен доменный процесс. Возникновение доменной печи и начало производства железа в Китае относят к культуре царства Шан-Шунг.

Сегодня невозможно с точностью определить, из чего состояло строительство доменной печи в древнем Китае. Известно лишь, что ранние постройки имели глиняные стены, а их доменная печь имела форму двух усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Небольшая мощность воздуходувки ограничивала любое увеличение высоты шахты печи, поэтому высота печей составляла 2 метра и более. Останки самых крупных и достигающих почти 10 метров в высоту были найдены в провинциях Гуандун и Сычуань. Из некоторых источников также известно, что:

К 500 году до н.э. местные мастера научились доводить температуру удара до 1130°C;
К 300 году до н.э. железо из плавильной печи стало широко использоваться в Среднем царстве для изготовления оружия, инструментов и сельскохозяйственной утвари;
В 11 веке в связи с увеличением объемов выплавки железа в империи Сун началась массовая вырубка лесов. А древесный уголь, единственное топливо для доменных печей того времени, начал заменяться битумным камнем.

Средневековая Европа

В 12 и 13 веках в Штирии (современная Австрия) для производства черных металлов путем химического восстановления железа из руды использовалась грубая доменная печь (Stukofen). Она функционировала аналогично доменной печи, что позволяет предположить, что она была ее предшественницей, если не прототипом.

Ближе к 15 веку доменные печи были построены в Швейцарии, Швеции, Вестфалии и Англии. Они достигали высоты до 5 метров и приводились в действие различными механизированными средствами. Хотя воздух подавался с помощью клинового механизма с гидравлическим приводом, это не могло обеспечить высокую скорость плавки, и суточная производительность продувки в то время составляла не более 1,0…1,2 тонны.

Существует несколько гипотез о том, как доменное производство появилось в Европе. Согласно одной из них, технология могла быть украдена у китайцев; согласно другой, ее могли перенять народы, живущие к югу от Каспийского моря. Все историки сходятся во мнении, что цистерцианцы внесли значительный вклад в развитие доменного производства в Европе. Монахи этого католического ордена активно участвовали в экономической деятельности и были лучшими металлургами в Средние века. Даже в примитивных доменных печах того времени цистерцианцы смогли добиться высокой эффективности при переплавке руды в чугун, о чем свидетельствуют найденные в ямах остатки шлака с очень низким содержанием железа.

Современный этап

Дальнейшее развитие доменного производства относится к 18 и 20 векам. Важную роль в этом развитии сыграли крупные научно-технические достижения. Среди них:

Получение патента на коксование каменного угля младшим А. Дерби в 1735 году;
Разработка универсального парового двигателя Д. Уайтом в 1784 году;
Разработка в 1828 году Д. Нельсоном технологии нагрева воздуха перед подачей его в доменную печь;
Изобретение воронки и конусного питателя для загрузки заряда в 1850 году;
Получение патентов в 1867…1871 годах Г. Г. Бессемер получил патенты на выплавку чугуна с высоким давлением внутри печи и технологию работы доменной печи с обогащенным кислородным дутьем.

Электростанции и парогенераторы стали широко использоваться для отопления и питания доменных печей, а также позволили значительно сократить потребление угля и заменить его антрацитом. Но все же, несмотря на многочисленные инновации, кокс был и остается основным топливом для доменной печи. Именно его использование стало ключевым фактором в металлургии и основой промышленной революции 19 века, а доменные печи для производства кокса работают и сегодня.

Доменные печи также использовались для выплавки цинка. В отличие от чугуноплавильных печей, эти печи немного ниже, не имеют огнеупорной футеровки в боковых стенках и полностью герметичны. Однако из-за их высокой стоимости печи для выплавки цинка почти никогда не используются.

В результате многочисленных разработок и идей доменная промышленность претерпела огромные качественные изменения, а увеличение объемов производства чугуна и стали привело к разработке высокоэффективных доменных печей.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной частью производства чугуна и стали.

Эта деятельность требует не только использования специализированного оборудования, но и строгого соблюдения определенных технологий.

Плавка происходит в доменной печи из пустой породы и рудного материала.

Рудный материал может быть красным, коричневым, полевым шпатом, магнитной железной рудой или марганцевой рудой.

Восстановление железа является одним из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо становится твердым. Затем его опускают в паровую ванну, что способствует растворению углерода в железе. Таким образом, производится чугун. Именно в горячей части печи начинает плавиться само железо, медленно стекая в нижнюю часть.

Шахтная печь предназначена для непрерывной работы. Форма этого оборудования состоит из двух конусов, уложенных на широкие стороны с основаниями. Между этими конусами находится часть печи, имеющая цилиндрическую форму — расширение.

Принцип работы доменной печи выражается в нескольких физических и химических операциях. Протекание этих операций определяется температурным диапазоном самой печи и загрузкой материала.

В целом, можно выделить следующие процессы:

Процесс разложения известняка, в результате которого образуются углекислый ангидрид и оксид кальция;
Восстановление железа и других элементов;
Науглероживание железа;
Плавление металла;
Образование и плавление шлака;
Сжигание топлива и т.д.

Воздухонагреватель доменной печи — это аппарат, в котором воздух предварительно нагревается. Затем этот воздух подается в печь.

Более раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого компонента, как воздухонагреватель. Разработка аппарата позволила значительно сократить расходы на топливо.

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

Различают следующие операции:

сжигание топлива;
снижение содержания железа;
разложение известняка на оксид кальция и углекислый ангидрид;
насыщение железа углеродом;
Выплавка металла;
Выплавка шлака и т.д.

В самом общем смысле доменная плавка — это производство чугуна из железной руды.

Основными материалами, из которых можно выплавить железо, являются:

топливо — кокс;
железная руда — сырье, из которого выплавляется чугун;
флюс — специальные добавки, изготовленные из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печь шихта подается в виде тонко сплавленных кусков — гранул или агломератов. Руды могут быть марганцевыми рудами или разновидностями железных руд. Сырье насыпается на колосниковую решетку слоями, чередуясь со слоями флюса и кокса.

Шлак плавает на поверхности нагретого железа. Примеси выгружаются до застывания жидкого металла.

Подача сырья, как и работа печи, должны происходить непрерывно. Непрерывность процесса обеспечивается специальными конвейерными лентами. Проходя через описанные элементы в печь, шихта проходит через ряд процессов.

Сгорание кокса дает желаемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горению способствует сочетание кислорода и каменного угля. При этом образуется углекислый газ. Под воздействием высокой температуры он превращается в угарный газ. Таким образом, происходит восстановление железа.

Чугун становится таким после прохождения через расплавленный кокс. Чтобы результат был возможен, железо должно быть насыщено углеродом. Чугуны — это сплавы, содержащие 2-5% углерода.

После накопления готового металла в печи он выпускается через отверстия для отвода. Сначала шлак выгружается через верхнее отверстие, а затем чугун — через нижнее. Последняя выгружается по каналам в ковш и направляется на дальнейшую обработку.

Сырьевые и топливные материалы

Железные руды являются основным сырьем для доменной промышленности. К ним относятся магнитные, красные и бурые железные руды, а также сидерит и гетит. В результате обогащения и подготовки они превращаются в железную руду:

гранулы
агломерат;
концентрат.

Помимо Fe, руда содержит пустую породу и различные примеси, которые при выплавке отделяются в шлак. Для этого в шихту доменной печи вводятся дополнительные флюсы. Эти материалы снижают температуру плавления пустой породы и связывают ее в неметаллические включения. Использование флюсов уменьшает количество примесей в чугуне и придает шлаку необходимые свойства, так как он также используется во многих областях современной промышленности после переплавки.

Кокс был основным топливом в работе доменных печей на протяжении многих десятилетий. Это продукт коксохимического производства и результат анаэробной обработки специальных сортов угля. Как углеродсодержащий компонент шихты, кокс является одновременно топливом и ключевым реагентом для извлечения Fe из руды. В настоящее время металлургические предприятия начали частично заменять его альтернативными видами топлива, такими как мазут, природный газ, коксовый и доменный газ, а также пылевидный уголь.

Почему нельзя остановить домну?

Доменные печи представляют собой непрерывные шахтные плавильные агрегаты. Температура в них повышается сверху вниз. Вдуваемый снизу атмосферный кислород экзотермически реагирует с коксом, выделяя необходимую для доменного процесса тепловую энергию, иногда достигающую 2000-2300ºC.

Поэтому, если по какой-то причине печь останавливается, возникает проблема — как ее разогреть, ведь внутри находятся тонны твердого и кекового сырья, жидкого железа и шлака. При понижении температуры все это превращается в единую массу, которую невозможно разогреть никакими внешними факторами. Именно поэтому доменные печи останавливаются только для планового вывода из эксплуатации или капитального ремонта.

Конструкция печи

Верхняя часть доменной печи называется горном. Она оснащена газоотводами для удаления газа из верхней части топки. Материал подается в печь с помощью загрузочного устройства.

Под оголовком находится вал в форме усеченного конуса, который расширяется к низу. Такая форма облегчает подачу шихты из печи. Сырье подготавливается специальным образом в карьере, и железо извлекается из оксидов руды.

Самая широкая часть доменной печи называется горном. Здесь пустая порода из флюса и руды переплавляется в шлак.

Следующая часть печи представляет собой усеченный конус, расширяющийся кверху. Это называется плечами. Шлак оказывается в этой части конструкции, оставляя после себя часть флюса и твердого топлива.

Сгорание топлива, которое поступает сверху, происходит в очаге. Он также используется для сбора железа и шлака, находящегося в жидком состоянии.

Для сжигания топлива необходим горячий воздух. Он поступает в печь из воздухонагревателей по кольцевому воздуховоду через тайеры. Нижняя часть печи, называемая очагом, располагается на прочном фундаменте из железобетона. Здесь скапливается шлак и чугун. После завершения процесса плавки железо и шлак выгружаются в ковш по специально разработанным желобам.

Фундамент и дымоход

Поскольку во время работы металлическая часть конструкции будет сильно нагреваться, печь должна быть установлена на фундаменте. Его вес невелик, и нет необходимости делать котлован для фундамента, делается простая плита, которая может состоять из слоя кирпичей, покрытых раствором.

Дымоход необходим для удаления продуктов сгорания. Можно использовать дымоход диаметром 15 см и более. Чтобы он работал эффективно, прямой участок должен быть больше диаметра ствола. Лучше не изгибать дымоход, а если это необходимо, то угол изгиба должен быть больше 45 градусов.

Устройство домны

Современная доменная печь — это огромное сооружение весом до 35 000 тонн и высотой до 40 метров. Чтобы печь могла плавить в течение многих лет без простоев, она должна быть прочной и надежной. Снаружи устройство заключено в стальную оболочку — основание облицовано толстыми плитами (до 4 см).

На внутренней стороне имеется огнеупорная подкладка. Она нуждается в постоянном охлаждении, поэтому под ней установлены стальные емкости, в которых циркулирует вода. Поскольку объем жидкости очень велик, иногда используется испарительное охлаждение. Метод предполагает испарение кипящей воды, которая активно поглощает тепловую энергию.

Печь представляет собой конструкцию, состоящую из множества компонентов. Основные из них представлены.

решетку;
очаг;
вал;
очаг;
озадачивает.

Составляющие доменной печи

Доменная печь представляет собой непрерывно работающий агрегат, состоящий из следующих зон:

Горячий взрыв.
Зона плавления (руки и очаг).
Зона восстановления FeO (испарение).
Зона восстановления Fe2O3 (внизу).
Зона предварительного нагрева (решетка).
Погрузка железной руды, известняка и коксового сырья.
Доменный газ.
Столб железной руды, известняка и коксового сырья.
Выброс шлака.
Высвобождение железа из грязи.
Сбор отходящих газов.

Внутренний контур вертикального участка доменной печи называется профилем печи.

Рабочее пространство печи включает:

печь;
вал;
испарение;
озадачивает;
очаг.

Решетка.

Верхняя (узкая) часть топки называется колосниковой решеткой. В горне находится загрузочный аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газовые трубы, по которым газы выходят из доменной печи, называемой домной или колокольней. Часть печи между колокольней и тундрой называется валом.

Часть печи, наклоненная вверх усеченным конусом и поддерживающая шихту в куче, вместе с шихтой и колосниковой решеткой, называется рукавом. Это часть печи, где объем исходного сырья довольно сильно уменьшается в результате обжига кокса и образования расплавленных продуктов плавки.
Яма.

На котлован приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль вала, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся вниз, обеспечивает равномерное опускание и раскрытие подаваемых материалов.

Значительная высота шахты позволяет проводить термическую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.
Распар.

Это центральная, цилиндрическая часть печи, которая имеет наибольший диаметр. Это создает некоторый дополнительный объем в печи и устраняет возможное задержание материала.
Зона всплеска.

Это часть профиля печи под щелью, которая имеет форму усеченного конуса с широким основанием, обращенным к щели. Перевернутый конус плеча соответствует уменьшению объема расплавленного материала с образованием железа и шлака.
Печь.

Нижняя цилиндрическая часть печи, где скапливаются продукты плавки, т.е. жидкое железо и шлак, называется горном. Печь имеет отверстия, расположенные радиально на равных расстояниях друг от друга (10-16, в зависимости от размера доменной печи).

В эти отверстия вставляются двустенные трубки из красной меди, бронзы или алюминия. Эти отверстия называются фурмами.

Горячий воздух, нагретый в фурмах, продувается через копья с помощью вентилятора или воздуходувок. Фурма охлаждается водой, которая циркулирует в пространстве между стенками трубы.

Колошник

Это самый верхний компонент, который служит для загрузки сырья (исходного материала) и отвода отходящих газов. Основной частью решетки является загрузочный блок. В большинстве случаев блок заряда состоит из двух конусов. Два конуса укрыты между кормушками. После подачи сырья меньший блок опускается, и железная руда попадает в больший. Как только набирается необходимая порция, малый конус закрывается, и руда из большого конуса поступает в печь. Затем большой блок также герметизируется.

Более современные плавильные печи имеют улучшенную конструкцию конуса. Роль большого конуса играет вращающийся желоб с регулируемым углом наклона. Это позволяет загружать сырье с любой стороны.

Решетка также служит для выхода газа. В процессе плавления образуется большое количество газа. Железосодержащая пыль удаляется вместе с газом, который улавливается газовыми сепараторами.

Шахта

Шахта занимает большую часть топочного пространства. Он выполнен в виде усеченного конуса, расширяющегося к низу. Это позволяет равномерно перемещать заряд. Доменная печь расположена вертикально и достаточно высоко. Это необходимо для химической и термической обработки сырья нагретыми газами.

Распар

Этот цилиндрический элемент расположен в середине доменной зоны. Он характеризуется наибольшим диаметром. Его функция заключается в увеличении пространства топки и отводе лишнего материала. Здесь образуется пустая порода.

Заплечики

Укороченный вариант конического плеча — усеченный элемент, обращенный вверх. Плечики используются для уменьшения объема шихты в черной металлургии.

Горн

Основная часть, где происходит выплавка металла. Здесь сжигаются кокс и газ, собираются шлак и чугун, а расплавленный металл регулярно выдувается из печи. Печь состоит из зоны копья и металлической трубки. Горячий воздух поступает в печь через тайеры, воздухонагреватель и кольцевой канал. Это необходимо для сжигания топлива. Дно зоны приема металла называется очагом.

На дне горна находятся шлаковые и железные щели — отверстия, через которые вытекает расплавленный металл. После выпуска чугуна отверстия закрываются огнеупорной пастой с помощью поршневого механизма.

Шлаковые отверстия расположены на 1,5-2 м выше чугунных ворот. Они закрываются стальными торцевыми штопорами. Шлак отделяется от железа с помощью агрегата, расположенного на корыте печи. Оба компонента подаются в специальные чаны.

Вся гигантская конструкция имеет огромный вес. Этот вес должен равномерно передаваться на землю. Поэтому доменную печь устанавливают на прочный бетонный фундамент, толщина основания которого может достигать 4 м. Фундаменты поддерживают колонны, которые, в свою очередь, поддерживают стальные конструкции. Верхний фундамент выполнен из жаропрочного бетона в виде монолитного цилиндра.

Давление огромной массы на землю компенсируется строительством прочного фундамента

В таблице показано соотношение размеров некоторых современных печей.

Размер, мм	Объемный объем доменной печи, м3
2000	3000	5000
Диаметр
Головка печи	7300	8200	11200
рашпиль	10900	12900	16300
тигель	9750	11700	14900
высота:
вал	18200	20100	19500
очаг	3600	3900	4500
коммунальное хозяйство	29200	32200	32200
полный	32350	34650	36900

Лещадь

Это подложка металлоприемника. Это один из самых важных компонентов доменной печи, учитывая его размеры и принцип работы. Он подвергается высокому гидростатическому давлению и термическому напряжению, поэтому изготавливается из углеродистого и высокоглиноземистого материала с особым типом охлаждения.

Размеры профиля	Полезный объем печи, м3
1033	1513	2000	2700	3000	5000
Высота, мм
Полная высота (Hp)	28700	30750	32358	33650	34950	36100
пригодный для использования (H0)	26000	28000	29400	31200	32200	33500
hr)	3200	3200	3600	3900	3900	4400
оружие (гц)	3000	3200	3000	3400	3200	3700
распара (hp)	2000	1800	1700	2200	2000	1700
валы (hh)	15000	17300	18200	18700	20100	20700
голова (hk)	2800	2500	2900	3000	3000	3000
«мертвый слой»	600	766	1101	1699	1740	1113
Диаметр, мм
рог (др)	7200	8600	9750	11000	11600	14700
Распара (D)	8200	9600	10900	12300	12800	16100
голова (дк)	5800	6600	7300	8100	8400	10800
большой конус	4200	4800	5400	6200	6500	—
Зазор между штифтами, мм	800	900	950	950	950	—
Соотношение H0:D	3,18	2,92	2,70	2,64	2,51	2,24
Соотношение dk:D	0,71	0,69	0,67	0,66	0,656	0,67
Соотношение D:dr	1,14	1,12	1,12	1,12	1,12	1,095
Количество пневматических наконечников	16	18	20	20	28	36
Количество чугунных/шлаковых канавок	1/2	1/2	1(2)/2	2/2	3/1	4/1

Разряды ремонта домны

Для поддержания доменной печи в рабочем состоянии регулярно проводятся капитальные ремонты (каждые 3-15 лет). Они делятся на три типа:

К первой категории относятся работы, связанные с выпуском продукции на переплавку и проверкой оборудования, задействованного в процессе.
Второй спад — полная замена оборудования, подлежащего среднему ремонту.
Третья категория — полная замена оборудования с последующей новой загрузкой сырья с правкой решеток.

Скип

Скипы — это специальные грузовые подъемники. Они используются для подъема шихты из скиповой ямы с помощью желоба, который подается вверх по наклонной эстакаде.

Затем лотки питателя наклоняются, перенося шихту в зону загрузки, и возвращаются вниз для новой партии. Сегодня этот процесс автоматизирован и контролируется компьютерными блоками управления.

Фурмы и летки

Сопло копья направляется в полость печи и показывает через него процесс плавления. Для этого через специальные каналы устанавливаются глазури с жаропрочным стеклом. Во время сдвига давление может достигать значений 2,1-2,625 МПа.

Из колб сливается железо и шлак, а сразу после освобождения они запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выкладывали ядро из полимерной глины, а сегодня используются пушки с дистанционным управлением, которые могут приближаться к конструкции на близкое расстояние. Это решение позволило сократить количество травм и несчастных случаев и повысить надежность процесса.

Кауперы

Современная конструкция доменной печи предусматривает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это термостойкое циклическое устройство, которое нагревает головку печи до 1200°C.

Каупер включается после охлаждения шихты до 800-900°C, что обеспечивает непрерывность процесса, снижает расход кокса и повышает общую эффективность конструкции доменной печи.

Ранее такое устройство не использовалось, но с 19 века оно стало обязательной частью доменной печи.

Количество аккумуляторных батарей зависит от размера комплекса, но обычно их не менее трех, что делается в предвидении возможной аварии и для поддержания работоспособности.

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе эксплуатации требуется вспомогательное оборудование и механизмы, обеспечивающие качество выплавки чугуна. Подъемное и погрузочное оборудование имеет важное значение для этого процесса.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно для производства шлака и чугуна. Литейные цеха приспособлены для этих целей и оснащены мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи и высокая температура плавления при меньшем количестве воздуха обеспечиваются воздухонагревателями. Например, печь с полезным объемом 2 000 м³ должна подавать 3 800 м³ воздуха при температуре 1 200 градусов Цельсия в минуту.

Пар, образующийся из воздуха, поступающего в воздухонагреватель, необходимо постоянно поддерживать во влажном состоянии. Это контролируется автоматической системой.

Сжатый воздух, необходимый для сжигания топлива, подается в воздухонагреватель с помощью воздуходувок. Давление воздуха на колосниковую решетку современной печи достигает 25 МПа. Газ с колосниковой решетки удаляется из печи с помощью скруббера.

Описание и процеcсы

Доменная печь — это шахтная печь непрерывного действия. Шихта подается из верхней части доменной печи через стандартное загрузочное устройство, которое также служит газовым затвором в доменной печи. В доменной печи получают богатую железную руду (в настоящее время запасы богатой железной руды имеются только в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного материала используются брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колосниковой решетки, которая необходима для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой широкой конической части — шахты, которая является основным материалом для нагрева и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — корыта, где происходит размягчение и плавление восстановленного железа; сужающейся конической части — задней лопатки, где образуется восстановительный газ — угарный газ.

В верхней части печи находятся туеры — отверстия, используемые для подачи высокотемпературного нагретого дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне тигра температура поднимается примерно до 2000 °C. В процессе движения вверх температура снижается и достигает 270 °C на решетках. Таким образом, на разной высоте в печи достигаются разные температуры, и, как следствие, происходят разные химические процессы при переходе от руды к металлу.

В чем заключается доменный процесс

Структура доменной печи:1. горячий поток 2. зона плавления (рукава и горн). 3. зона восстановления FeO (испарение).4. зона восстановления Fe2O3 (шахта).5. зона предварительного нагрева (колосниковая решетка).6. загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.7. доменный газ.8. колошник железорудных материалов, известняка и кокса.9. выгрузка шлака.10. выгрузка расплавленного железа.11. сбор отходящих газов.

Для успешной выплавки чугуна в доменной печи необходимо всегда соблюдать основные положения. Во-первых, температура во всей печи и тепло должны обеспечивать протекание необходимых реакций в нужном месте и в нужное время. Это происходит из-за того, что два тока движутся навстречу друг другу. Газ, образующийся при сгорании топлива, поднимается снизу вверх, а заряд, нагретый теплом газа, стекает сверху вниз. Во-вторых, шлак должен образовываться только после завершения процесса восстановления железа и необходимых примесей из руды. Здесь важно подобрать преломляемость шлака в соответствии с маркой железа. Это необходимо для того, чтобы шлак преждевременно не расплавил руду, что впоследствии изменит состав железа и может привести к сбою процесса плавки.

Этот процесс запускается при сгорании топлива. При контакте с кислородом природный газ и углерод из кокса сгорают, в результате чего выделяется значительное количество тепла.

C + O2 = CO2 + Q; CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q

Продукты сгорания взаимодействуют с коксом в соответствии с происходящими реакциями:

CO2 + C = 2CO — Q; H2O + C = CO + H2 — Q

В этой смеси монооксид углерода является основным восстановителем железа из оксидов железа. Для повышения эффективности работы печи воздух, поступающий в печь, увлажняется, тем самым увеличивая количество восстановителя. Газы, температура которых достаточно высока, нагревают заряд по мере его подъема. При этом газы охлаждаются до температуры около 300-400 градусов Цельсия. Заряд движется вниз по направлению к газу. Когда температура достигает примерно 570° Цельсия, происходит восстановление оксидов железа. Этот процесс состоит из нескольких последовательных этапов в соответствии со схемой: Fe2O3 -> Fe3O4 -> FeO -> Fe.

Эти химические реакции зависят от температуры. Восстановление оксида железа происходит с помощью твердого углерода (прямое восстановление), водорода и монооксида углерода (косвенное восстановление). В первом случае процесс протекает в паровой зоне при высокой температуре в соответствии с реакцией: FeO + C = Fe + CO — Q.

Во втором случае, косвенном восстановлении, реакция протекает при более низкой температуре в верхней части печи: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 + Q; Fe3O4 + CO = 3Fe O + CO2 — Q; Fe O + CO = Fe + CO2 + Q.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

чугун;
шлак;
Доменный (ковшевой) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменной печи, а шлак и доменный газ — побочными продуктами.

В зависимости от последующего использования чугун, выплавленный в доменной печи, можно разделить на три группы:

чугун для дальнейшей переработки в сталь;
литейный чугун, предназначенный для изготовления отливок в машиностроении;
специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильной промышленности.

Чугун — это многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

Железо также содержит небольшое количество водорода, азота и кислорода. Легированный чугун может содержать хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава выплавляемых руд.

Сырое железо перерабатывается в сталь.

Такой чугун характеризуется тем, что содержащийся в нем углерод (2,2-4%) находится в химически связанном состоянии.

Чугун имеет белую поверхность излома.

В зависимости от состава и обработки различают:

Мартеновский чугун, содержащий от 0,15% до 0,30% фосфора и до 0,07% серы;
Бессемер, содержащий 0,07% фосфора и до 0,069% серы;
Томасовский чугун, содержащий 1,6% фосфора и до 0,08% серы.

Чугун подразделяется на три типа:

Переработанный кокер (марки M1, M2, M3, B1, B2).
Переработанный кокс-фосфор (MF1, MF2, MF3).
Высококачественный рафинированный кокс (PWK1, PWK2, PWK3).

После выпуска из доменной печи литейный чугун разливается в слитки и в холодном состоянии отправляется на машиностроительные заводы, где подвергается вторичной плавке в специальных печах для литья деталей машин.

Литой коксовый чугун выплавляется семи марок: LK1-LK7.

Каждая марка делится на три группы по содержанию марганца, пять марок по содержанию фосфора и пять категорий по содержанию серы.

Сорта фосфора.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% P. В зависимости от содержания фосфора для переработки в сталь используются различные технологии.

Этот вид чугуна предназначен для производства отливок на чугуноплавильных заводах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (от 2,75% до 3,75% Si) и, в некоторых случаях, фосфора. Это объясняется тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую текучесть или способность хорошо заполнять литейную форму.

После плавки чугун используется на машиностроительных заводах для производства фасонных отливок.

Чугун используется для изготовления отливок:

трубы;
радиаторы;
сантехнические приборы;
рамы;
блоки;
шестерни и т.д.

Такой чугун при разрушении имеет серый цвет. Часть содержащегося в нем углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. Серый чугун обычно содержит кремний 1,25-4,25%, углерод 2,5-4%, марганец 0,5-1,3%, фосфор 0,1-1,2% и небольшое количество серы.

Марганец делает железо твердым и хрупким.

Кремний, с другой стороны, снижает твердость чугуна, поэтому отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун легкоплавким и хорошо заполняет тонкие участки формы.

Отливки из чугуна с высоким содержанием фосфора хорошо сопротивляются истиранию, но при этом более хрупкие.

Сера делает железо более плотным и снижает его механические свойства.

Это сплавы железа с повышенным содержанием кремния, марганца и других элементов, используемые в качестве раскислителей или добавок в сталеплавильном и чугунолитейном производстве.

К ним относятся:

ферромарганец (70 — 75% Mn и до 2% Si);
ферросилиций (9-13% Si и до 3% Mn);
чугун (10-15% Mn и до 2% Si).

Выплавка ферросплавов в доменных печах в последние годы сократилась из-за неэкономичности процесса. Выплавлять ферросплавы в электрических печах экономически выгоднее.

Шлак

Шлак — это побочный продукт, очень дешевый и высококачественный строительный материал, используемый в производстве цемента, бетона, кирпича и в качестве дорожного основания.

Количество шлака, образующегося при выплавке, очень велико (около 60% от веса чугуна).

Шлак может быть щелочным и кислым.

Кислотный шлак характеризуется высокой прочностью. Если его продуть паром или воздухом в жидком виде, то получится шлаковая вата, которая является хорошим теплоизолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, который выходит из печи через верхнюю часть топки — колосниковую решетку.

Он состоит из CO, H2, CO2, CH4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли газ используется в качестве топлива для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и для других целей.

Поскольку газ содержит до 30 % CO, это топливо используется после обеспыливания. Количество сырьевого газа в 2,5 раза превышает количество чугуна. Теплотворная способность составляет 3600-3900 кДж/м3.

В доменной печи, использующей комбинированный доменный и природный газ, содержание водорода в горелочном газе увеличивается до 6-8%, а иногда до 12%, а теплотворная способность увеличивается до 4200 кДж/м3.

Примерно 30-35% горелочного газа используется в доменной системе для нагрева сопел воздухонагревателя. Остальная часть газа используется в прокатных и тепловых цехах, а также на теплоэлектростанции.

Процесс производства железа происходит в доменных печах.

Сырье из доменной печи, взятое в необходимых пропорциях, составляет исходное сырье.

Чугун — это основной продукт, получаемый из сырья. Производство чугуна основано на извлечении железа из руды посредством различных окислительно-восстановительных реакций. Чугун затем используется в качестве сырья для производства стали.

Оборудование, незаменимое в черной металлургии

Работа доменной печи является важным элементом современного сталеплавильного производства. В современном производстве используется только оборудование с высоким уровнем эффективности. Кроме того, современные металлургические печи оснащены системами автоматизации. Роль автоматизации заключается в регулировании, контроле и учете основных характеристик плавильной операции. В современной печи можно контролировать уровень, на который засыпается шихта, подачу руды, температуру дутья и давление газа.

Производительность этих печей растет, можно сказать, в ногу со временем. Усовершенствования в плавильной системе позволяют увеличить мощность оборудования в несколько раз.

Схема доменной печи дает наглядное представление о том, как она работает. Здесь можно увидеть, как меняется конструкция оборудования при более высоких температурах. На диаграмме также показано, где и до какого уровня загружены компоненты сырья.

Процессы в доменной печи следуют в строгой последовательности. Сама топка имеет вертикальную форму, сравнимую с шахтным типом. Высота может немного варьироваться, но не превышает 35 м. Диаметр структуры обычно в 2,5-3 раза меньше. Процесс происходит в определенной последовательности. Во-первых, железо восстанавливается. Затем восстанавливаются другие элементы, такие как фосфор, сера и другие. Образовавшийся шлак, который уже значительно изменил свои составляющие, стекает и накапливается в зоне печи. Именно химический состав шлака определяет состав чугуна.

Самая широкая часть доменной печи

Конструкция доменной печи состоит из ряда элементов и помещений, как описано выше.

К ним можно отнести:

Подбункерные помещения;
Холы;
Вагоны;
Треки и т.д.

Доменная печь имеет самую широкую часть, называемую рашпаром, которая является самым мощным местом в конструкции, а верхняя часть называется колосниковой решеткой. Конструкция печи также имеет дно, называемое очагом, для которого первоначально должен быть подготовлен массивный железобетонный фундамент. Его назначение — осуществление такого процесса, как накопление железа и шлака. Сразу же после накопления они направляются по специальным желобам через полость желоба в ковш.

Схема доменной печи

Принцип работы доменной печи будет описан ниже, а о вспомогательном оборудовании и механизмах, с помощью которых обеспечивается высокое качество выплавки чугуна, вы можете прочитать ниже. Для обеспечения правильной подачи используются специальные устройства, с помощью которых сырье безупречно подается в полость печи. Доменная печь требует постоянного обслуживания, чтобы шлак и чугун производились без дефектов и чтобы производство и затраты не пострадали. Для этого используется специальная литейная площадка, на которой установлен мостовой кран.

Для нагрева воздуха в печи используются специальные воздухонагреватели, каждый из которых регулярно проверяется и диагностируется на наличие дефектов.

Кроме того, имеется специальная система, которая увлажняет горячий воздух, поступающий в топку. Это необходимо для производственного процесса. Установка также оснащена специальными воздуходувками для сжатия воздуха, необходимого для сжигания топлива. Давление в полости очага современной плиты может достигать 25 МПа. Существуют такие установки, как газовые скрубберы, которые используются для очистки головного газа.

С момента возникновения доменных печей в России и во всем мире на них существует спрос, поскольку металлопрокат продолжает использоваться в строительстве различных сооружений.

Топливо для домны

Для работы чугунных печей используется такое сырье, как кокс, который производится в специальных коксовых печах, где выплавляется чугун. Кокс получают из специального коксующегося угля. Как правило, на крупных металлургических предприятиях кокс производится на специальных коксовых установках, которые имеют в среднем 50-70 коксовых печей или камер. Все они соединены в одну камеру.

Весь процесс полностью автоматизирован и суть его заключается в том, что композиция из измельченного коксующегося и некоксующегося угля подается в полость камеры и нагревается без воздуха до температуры 1000 оС.

Камера нагревается снаружи. Для поддержания температуры внутри полости печи на уровне 1000 оС, в пространстве между камерами должна поддерживаться температура 1400 оС. Коксовая батарея нагревается газом, который смешивается с нагретым воздухом. В процессе коксования, когда уголь нагревается до 100 oC, начинается медленное испарение влаги, за которым следует сушка и удаление смол, когда уголь нагревается до 350 oC.

Когда температура поднимается до 450 oC, частицы в коксующемся угле начинают размягчаться, и частицы, полученные этим методом, начинают окружать некоксующиеся части угля, образуя твердую массу, а затем единый сплав. Для того чтобы сделать правильную и качественную композицию, необходимо полностью соблюдать все этапы. Когда теплота массы достигает 480-650 оС, масса начинает выделять органические газообразные продукты перегонки сухого угля.

Как только выделившийся газ вбухается в твердую массу угля, он начинает постепенно покидать ее, оставляя после себя кусковой уголь и большое количество мелких пор и трещин, или полукокс. Когда температура достигает 650-1000 oC, он превращается в кокс серебристого и светло-серого цвета.

При правильном использовании производства из 1 тонны угля получается до 750 кокса, а также 300 м3 коксового газа и почти 35 кг каменноугольной смолы. В том числе 12 кг бензола и 3 кг аммиака. Уголь — отличный источник тепла, который используется в частных домах для отопления.

Расчет годовой производительности доменной печи

Годовой КПД указывает на эффективность работы печи. Он рассчитывается по формуле PY = m × Vpol / KIPO, а исходными данными для его расчета являются:

Полезный объем доменной печи, Vpol, м3;
Коэффициент использования объема, KIPO;
Годовое количество дней работы печи, м, дней.

В качестве примера выполним расчет для печи с полезным объемом 2000 м3. Учитывая характер работы печи, мы принимаем количество рабочих дней за количество календарных дней. В 2020 году таких дней было 366. Значение KIPO взято из справочников, для отечественных доменных печей, построенных в 1970-х и 1980-х годах, этот коэффициент составляет 0,6 и 0,7.

Год = м × V пол / КИПО = 366 × 2000 / 0,6 = 1 220 000 тонн

Это означает, что доменная печь на полной мощности может произвести 1,22 млн. тонн чугуна для экономики в 2020 году.

Украинская металлургическая промышленность является одной из ведущих в мире. За последние несколько лет она неоднократно входила в девятку лучших среди многих стран-производителей стали.

На территории Украины находится всемирно известная доменная печь №9 — самая мощная доменная печь в Европе. Его чистый объем составляет 5034 кубических метров, а годовой объем производства может достигать 4 000 000 тонн.

Стоимость на примере КПД №7

Производство доменных печей — это ресурсоемкий и дорогостоящий процесс, который не может быть массовым. Поскольку доменные печи используются исключительно в промышленности, они проектируются и монтируются для конкретного металлургического комплекса, включающего множество сооружений и элементов внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в России, но и в других странах мира, имеющих собственные металлургические предприятия.

Стоимость изготовления и установки доменной печи довольно высока из-за сложности работ. Примером может служить большой комплекс доменной печи № 7 «Россинка», который был установлен в 2011 году. Он обошелся в 43 миллиарда рублей, и в его строительстве участвовали лучшие российские и зарубежные инженеры.

Комплекс включает в себя следующие единицы:

рудоприемное устройство,
станции подачи сборного стеллажа и центрального блока,
склон,
компрессорная станция (установлена на литейном дворе),
установка для впрыска угольной пыли,
теплоэлектростанция,
центр управления и административное здание,
литейный двор,
доменная печь,
оборудование для нагрева воздуха,
насосная станция.

Новый комплекс предусматривает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, с полезным объемом 490 кубических метров и рабочим объемом 3650 кубических метров. Доменная печь предназначена для безотходного и экологически чистого производства чугуна, а в качестве побочных продуктов она производит доменный газ для местной ТЭЦ и шлак для дорожного строительства.

Фото доменной печи

Как сделать доменную печь своими руками?

Самостоятельное строительство доменной печи может показаться на первый взгляд нелепой идеей. Мало кому придет в голову создать миниатюрный металлургический завод на своем участке земли. На это есть несколько причин:

Отсутствие сырья. В мире осталось только две богатые руды — в Бразилии и Австралии. Практически невозможно купить окатыши или агломерат — их нет на открытом рынке, все поставки идут через товарные биржи и исчисляются тысячами тонн.
Невозможно получить разрешение на строительство миниатюрного металлургического завода. Металлургическая промышленность является источником значительных экологических проблем, и ни один чиновник не рискнет дать разрешение на такой проект.
Соседи завалят все инстанции жалобами, потому что постоянный дым и испарения сделают их жизнь невыносимой.

Это только основные причины, но на самом деле их гораздо больше. Использование доменной печи для производства металла в частном доме — не вариант.

Однако, если учесть специфику доменной печи, в частности — режим непрерывного горения, то ее можно использовать для отопления помещений. Это эффективное решение для обеспечения теплом как жилых, так и коммерческих помещений — гаража, теплицы, хозяйственных построек и т.д. В отличие от обычных твердотопливных плит, которые требуют частой дозаправки и имеют довольно низкий КПД, плавильная плита обеспечивает равномерное тление в течение 15-20 часов. Это происходит из-за ограниченной подачи воздуха, что не позволяет топливу активно гореть и делает процесс длительным.

Нюансы

Производство чугуна — очень прибыльный бизнес, но наладить производство черных металлов без серьезных финансовых вложений невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» просто неосуществима в силу ряда особенностей:

Чрезвычайно высокая стоимость доменной печи (только крупные металлургические предприятия могут позволить себе такие расходы);
Сложность проекта, несмотря на то, что схему доменной печи можно найти в открытом доступе (схема выше), собрать полный агрегат для производства чугуна не получится;
физические лица и индивидуальные предприниматели не могут управлять предприятием по производству чугуна, никто не даст на это лицензию;
месторождения сырья для черной металлургии практически исчерпаны, ощущается недостаток свободно доступных гранул и агломератов.

Но можно построить дома имитированную печь (мини-земляную печь), с помощью которой можно выплавлять металл.

Однако эта работа требует наибольшего внимания и при отсутствии опыта крайне не рекомендуется. Зачем кому-то понадобилось строить такое сооружение? Обычно он используется для обогрева теплицы или летнего дома и использует топливо максимально эффективно.

Инструменты и материалы

Чтобы сделать конструкцию в домашних условиях, приготовьте

Металлическая бочка (ее можно заменить трубой большего диаметра);
Два куска круглой трубы меньшего диаметра;
Кусок швеллерного железа;
листовая сталь;
Спиртовой уровень, пила по металлу, рулетка, молоток;
инвертор, набор электродов;
кирпичи, глиняный раствор (необходим для фундамента строения).

Все работы следует проводить только на открытом воздухе, так как процесс довольно грязный и требует свободного пространства.

Пошаговая инструкция

На подготовленной заготовке в виде бочки отрежьте верхнюю часть (ее следует оставить, так как она понадобится в дальнейшем).
Вырежьте круг меньшего диаметра, чем ствол, и проделайте в нем отверстие для трубки.
Труба аккуратно приварена к кругу, а снизу приварены сегменты канала, которые будут прижимать топливо во время работы плиты.
Крышка плиты изготавливается из дна бочки, предварительно отрезанного, в котором проделывается отверстие для вставной дверцы. Также сделайте дверцу для удаления остатков золы.
Плита для сауны всегда должна быть установлена на фундамент, так как во время работы она сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, а затем укладывается несколько рядов кирпичей, образуя полость в центре.
Для отвода дымовых газов устанавливается дымовая труба. Диаметр прямого участка больше диаметра корпуса каменки (это необходимо для лучшего отвода газов).
Дефлектор не является обязательным, но повышает эффективность каменки.

Особенности конструкции

Особенности такой самодельной плиты включают.

уровень эффективности хороший
возможна автономная работа до 20 часов;
в плите нет активного горения, но она тлеет с непрерывным выделением тепла.

Основное отличие «бытовых» воздухонагревателей заключается в ограничении доступа воздуха в камеру сгорания, т.е. тление древесины или угля будет происходить при низком уровне кислорода. Промышленная доменная печь работает по аналогичному принципу, но бытовая доменная печь используется только для отопления; в ней нельзя выплавлять металл, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Post Views: 121