Конструкция доменной печи

Доменная печь - большая металлургическая, вертикально расположенная плавильная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её капитального ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Описание и процеcсы

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий агрегат 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.

Современная домна— это  огромное сооружение высотой с 30-этажный  дом. Она оборудована сложнейшими  машинами и приборами. В ней плавят, как правило, не железную руду, а окатыши или агломерат. Они загружаются в печь слоями, перемежаясь коксом. Так же послойно в домну загружают флюсы — известь и другие вещества. Они заставляют пустую породу и другие ненужные вещества, образующие шлак, всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак сливают в специальный ковш. Кокс, агломерат (или окатыши) и флюс называются одним словом — шихта.

Домна по форме похожа на большую башню, круглую в плане. Она состоит из 3-х частей: верхняя  — колошник, средняя — шахта и нижняя — горн. Внешняя оболочка домны — это прочный стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух непрерывно охлаждается водой.

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. А также верхняя - фурменная зона, где происходит вдувание комбинированного дутья в печь и нижняя часть – лещадь.

Шихта загружается в  домну через колошник порциями по несколько тонн. Она поступает  туда из бункера — склада, куда доставляются агломерат или окатыши, кокс и флюсы. В бункере при помощи автоматизированных вагонов-весов смешивается шихта. Шихта из бункера в колошник подается либо транспортерами, либо (в старых домнах) вагонами-скипами.

Под действием собственного веса шихта опускается и проходит через всю домну. В шахте она омывается газами, образующимися при сгорании кокса. Нагревая шихту, газы вытекают из домны через колошник.

Основная часть доменного  процесса происходит в горне. В кожухе домны имеются отверстия, в которые вставлены фурмы — специальные приборы, назначение которых — подавать в печь сжатый горячий воздух. В фурмах имеются специальные окошки, через которые доменщики могут следить за процессом плавки. Внутри фурм сделаны специальные каналы, по которым течет вода для охлаждения. Горячий воздух дополнительно нагревает шихту. Это позволяет снизить расход кокса и повысить производительность домны. Кроме кокса в качестве источника тепла применяют мазут или природный газ. Воздух перед подачей в фурмы нагревается в воздухонагревателях — кауперах.

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.

Полученный в результате реакции металлический расплав  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 лётку одновременно, таким образом, контакт чугуна и шлака увеличивается при перемешивании и часть серы чугуна переходит в шлак. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты скиммерного устройства вследствие различных плотностей жидких продуктов плавки. Отделённый от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа. Шлак, по шлаковым желобам разливается в шлаковые чаши.

Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и  находящимися в ней шихтовыми  материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде массивной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опираются колонны, поддерживающие металлические конструкции печи (кожух). Верхняя часть фундамента (пень) представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором находится горн печи.

Горн доменной печи —  нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска  чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100—1400 °С, обогащенного кислородом до 23—25 %, воздуха. Горн доменной печи — наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 т. и больше расплавленных продуктов плавки — чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9—12 тыс. т. Давление горновых газов составляет 0,4—0,5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700—2100 °С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна — кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Основные и вспомогательные  устройства доменной печи

Доменная печь имеет снаружи металлический кожух, внутри выложена высококачественным шамотным кирпичом. В футеровке сильно разогревающихся частей печи вмонтированы чугунные коробки, охлаждаемые проточной водой. Кладка нижней части печи - лещади и горна выполнена из углеродистых блоков и высокоглиноземистых кирпичей.

Верхняя часть доменной печи - колошник футерован шамотным кирпичом и изнутри защищен рядами стальных плит. В колошнике находится засыпной аппарат, с помощью которого загружаются в определенной последовательности сырые материалы и улавливается доменный газ. В шахте, расположенной под колошником, происходят процессы восстановления окислов железа и его науглероживание. В районе распара, расположенного ниже шахты, производится плавление пустой породы и флюсов с образованием шлака, причем шлакообразование заканчивается в заплечиках. В горне на лещади собираются чугун и шлак, которые периодически выпускаются через специальные отверстия- летки. Чугунная летка расположена на 500 мм выше лещади, а шлаковая - на 1,5 м. Обе летки забиваются огнеупорной массой и перед выпуском пробиваются. Общая высота доменной печи достигает 30 м и более. Полезной высотой доменной печи называют расстояние от оси чугунной летки до максимального уровня засыпки материалов. Объем, соответствующий этой высоте, называется полезным объемом доменной печи и является ее важнейшей характеристикой.

  Наиболее крупные  доменные печи в СССР имеют  полезный объем в 1719, 2002 и 228б  м³. Себестоимость чугуна выплавляемого  в крупных печах, в 3 - 4 раза  ниже себестоимости чугуна, выплавляемого  в малых печах. На Криворожском  и Череповецком металлургических заводах построены крупнейшие в мире доменные печи с полезным объемом в 2700 м³ производительностью около 2 млн. т чугуна в год. На Новолипецком металлургическом заводе строится домна объемом в 3200 м³. В текущем пятилетии намечена постройка доменных печей объемом в 5000 м³.

  В верхней части  горна доменных печей имеется  кольцевой воздухопровод, в который  воздуходувками нагнетается горячий  воздух. По фурменным рукавам  из воздухопровода воздух попадает  внутрь печи через медные водоохлаждаемые  фурмы расположенные в радиальном направлении по окружности печи. Кислород содержащийся в воздухе, необходим для горения кокса. Получаемые при этом горячие газы мощным потоком непрерывно перемещаются снизу вверх навстречу потоку сырых материалов - руды или агломерата, флюса, топлива, чугуна и шлака, движущихся сверху вниз. Наличие двух встречных потоков - необходимое условие бесперебойной работы доменной печи.

  Непрерывность потока  сверху вниз твердых материалов  обеспечивается автоматически контролируемой  подачей сырых материалов на колошник и загрузкой в печь с помощью системы механизмов.

  Доменные печи  являются основным агрегатом  доменного цеха. Слева от них  находится рудный двор, на котором  хранятся усредненные шихтовые  материалы. Портальным краном  материалы загружаются в бункера, расположенные вдоль фронта доменных печей. Вагон-весы принимают из бункеров и взвешивают офлюсованный агломерат (или руду), флюсы и кокс и погружают их в вагонетки - скипы. Лебедкой по наклонному мосту материалы подаются на колошник в засыпной аппарат каждой печи и из него в печь. Все процессы загрузки шихты автоматизированы. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи производится через летки по определенному графику (например, чугун через каждые 4 ч, шлак через 2 ч) соответственно в ковши чугуновозов и шлаковозов.

  Литейный и частично  передельный чугун из доменной  печи направляется на разливочную  машину и перерабатывается на  чушки (слитки) весом в 15 - 25 кг, которые затем транспортируются  в литейные и сталеплавильные  цехи машиностроительных заводов. Предельный чугун направляется в миксеры - промежуточные круглые печи барабанного типа емкостью до 1500 т, отапливаемые газом. В миксерах чугун может длительное время сохраняться в жидком состоянии, его химический состав усредняется, частично удаляется сера. Из миксера жидкий чугун чугуновозными ковшами подается в сталеплавильные цехи для переплавки на сталь.

  Шлак из доменной  печи используется для производства  кирпичей, теплоизоляционной ваты, цемента, гранулированного мате-риала  для покрытия дорог и пр.

  Непрерывность восходящего  газового потока в доменной  печи обеспечивается подачей  горячего воздуха. Нагревание  воздуха производится в специальных  воздухонагревателях (рис. II.2), работающих  по принципу регенерации тепла.  Воздухонагреватель представляет собою цилиндрическую башню диаметром 6 - 8,5 м и высотой до 50 м. Снаружи он имеет металлический кожух, внутри футерован шамотным огнеупорным кирпичом. Воздухонагреватели имеют камеру горения и огнеупорную насадку, состоящую из ячеек, размер которых увеличивается снизу вверх. Работа воздухонагревателя разделяется на два периода: первый - нагрев огнеупорной насадки «на газу», второй - нагрев воздуха «на дутье». Для нагрева огнеупорной насадки сжигают очищенный доменный газ. Получаемые горячие газы поднимаются вверх, омывают купол и через огнеупорную насадку, поверхность которой составляет около 27 000 м², поступают вниз и далее через боров и трубу выходят в атмосферу. В период нагревания, который продолжается около 2 ч, огнеупорная насадка нагревается до 1200- 1400' С. Во второй период подачу газа прекращают. Через воздухопровод и огнеупорную насадку (снизу вверх) продувают воздух, который, соприкасаясь с поверхностью насадки, нагревается до 950 - 1200' С. Затем через специальный трубопровод горячий воздух воздуходувкой подается в доменную печь. Производительность применяемых воздуходувок достигает 5000 м³/мин (83,8 м³/с), а давление равно 4,3 - 4,5 ата (0,43 - 0,45 МПа).

Обычно у каждой доменной печи имеются три-четыре воздухоподогревателя, попеременно работающих «на газу» и «на дутье».

  В результате взаимодействия  кислорода воздуха и окислов  руды с углеродом образуется  доменный газ, который поднимается  вверх со скоростью 20 - 60 м/сек.  Из-за сопротивления материалов  избыточное давление газов при  достижении колошника снижается до 1,5 - 3,7 ати (0,15 - 0,37 МПа). После очистки от пыли газ используется для нагрева воздухонагревателей, мартеновских, кузнечных, термических печей и как горючее для двигателей внутреннего сгорания. Получаемая при очистке доменного газа колошниковая пыль используется в процессе агломерации.

Подготовка шихты

Сырые материалы доменной плавки, взятые в определенных весовых  отношениях составляют шихту. Шихтовые материалы перед плавкой подвергаются подготовке. Наиболее сложная подготовка требуется для руд. Перед плавкой руды сортируются по величине кусков, химическому составу, физическим и минералогическим характеристикам. Около 85% железных руд перед плавкой подвергаются обогащению с получением обогащенной руды - концентрата, содержащего повышенное количество металла. Обогащение производится мойкой, гравитационными методами (например, отсадкой) электромагнитными и др.

  Мойка руды сильной  струей воды позволяет частично  отделить песчано-глинистую пустую  породу от железосодержащих минералов.

  Мокрая отсадка  состоит в разделении тяжелых,  богатых металлом кусков руды  от более легкой, пустой породы  в восходящих струях воды или  тяжелых суспензиях. Магнетиты обогащают  на электромагнитных сепараторах  после их измельчения. 

  Особо важное значение имеет окускование концентратов и мелких руд. Окускование мелких железных руд и концентратов после обогащения производится брикетированием, агломерацией или получением окатышей (круглых комков). Наибольшее распространение получила агломерация (спекание) на мощных агломерационных машинах непрерывного действия производительностью до 3000 и агломерата в сутки и более. Рудная мелочь размером кусков не более 5 - 8 мм в количестве 40 - 70% смешивается с колошниковой пылью, 20 - 30% возврата, 5 - 10% известняка, 4 - 7% коксика и 5 - 6% воды. В результате спекания этой шихты при 1200 - 1500' С образуется ноздревато-пористый агломерат, обладающий удовлетворительной прочностью, хорошей восстановимостью и пониженным содержанием серы. Офлюсованный агломерат (с добавками 12% извести до основности в 0,6 - 1,45)- главный вид сырья доменных печей.

  Более эффективным  способом окускования мелкого  концентрата является получение  окатышей (размером 10 - 30 мм и более), во вращающихся барабанах или  тарельчатых окомкователях. Для получения окатышей мелкий концентрат смешивается с известью или глиной и увлажняется водой (до 8 - 10%). В окомкователях при вращении барабанов или чаш рудная шихта пересыпается и скатывается в окатыши.