Доменная печь: как появилась, схема, конструкция и компоненты, как работает

Доменная печь: устройство и принцип работы

В этой статье расскажу о самом главном элементе современного производства ферросплавов и чугуна, о доменной печи. Она является основным оборудование доменного цеха, поэтому думаю каждому интересно узнать о составляющих доменной печи и принципе действия.

В качестве сырья используется железная руда, а основным продуктом доменного производства является чугун, который нашел свое применение в различных сфера деятельности: автомобильное производства, изготовление сантехники, чугунной посуды и др.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

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

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Составляющие доменной печи

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

• Горячее дутьё.
• Зона плавления (заплечики и горн).
• Зона восстановления FeO (распар).
• Зона восстановления Fe2O3 (шахта).
• Зона предварительного нагрева (колошник).
• Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса.
• Доменный газ.
• Столб железорудных материалов, известняка и кокса.
• Выпуск шлака.
• Выпуск жидкого чугуна.
• Сбор отходящих газов.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи.

Рабочее пространство печи включает:

• колошник;
• шахту;
• распар;
• заплечики;
• горн.

Верхняя (узкая) часть печи называется колошником. Колошник имеет засыпной аппарат для загрузки шихты (руды, топлива, флюсов) и газоотводные трубы, по которым из доменной печи отводятся газы, называемые доменными или колошниковыми. Часть печи между колошником и распаром называется шахтой.

Часть печи, обращенная усеченным конусом вверх и поддерживающая шихту в распаре вместе с шихтой и колошником, носит название заплечиков. В этой части печи происходит довольно резкое сокращение объема загружаемых материалов в результате выгорания кокса и образования жидких продуктов плавки.

На долю шахты приходится большая часть общей высоты и объема печи. Профиль шахты, представляющий собой усеченный конус, расширяющийся к низу, обеспечивает равномерное опускание и разрыхление шихтовых материалов.

Значительная высота шахты позволяет осуществлять тепловую и химическую обработку материалов поднимающимися горячими газами.

Это средняя цилиндрическая часть рабочего пространства печи, имеющая самый большой диаметр. Распар создает некоторое дополнительное увеличение объема печи и устраняет возможные задержки шихтовых материалов.

Это часть профиля печи, расположенная ниже распара и представляющая собой усеченный конус, обращенный широким основанием к распару. Обратная конусность заплечиков соответствует уменьшению объема проплавляемых материалов при образовании чугуна и шлака.

Нижняя часть печи, имеющая форму цилиндра, в которой скапливаются продукты плавки — жидкий чугун и шлак, — называется горном. В горне имеются радиально расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга отверстия (10—16, в зависимости от размера домны).

В эти отверстия вставлены из красной меди, бронзы или алюминия трубы с двойными стенками. Эти отверстия носят название фурмы.

Через фурмы вдувается вентилятором или воздуходувными машинами нагретый в воздухонагревателях (кауперах) горячий воздух. Фурмы охлаждаются водой, циркулирующей в пространстве между стенками труб.

Дополнительные элементы доменной печи

В процессе работы требуются вспомогательные устройства и механизмы, обеспечивающие качественную плавку чугуна. Необходимыми являются устройства для подъема и загрузки исходного сырья в печь.

Доменная печь требует постоянного обслуживания, особенно при выпуске шлака и чугуна. Для этого приспособлены литейные дворы, которые оборудованы мостовыми кранами.

Нагрев воздуха для работы печи, высокая температура плавки при меньшем количестве воздуха обеспечивают воздухонагреватели. К примеру, в печь, имеющую полезный объем 2000 м³, такое оборудование должно подавать в минуту 3800 м³ воздуха, температура которого составляет 1200 градусов.

Пар, образующийся за счет поступления воздуха в воздухонагреватель, должен быть постоянно влажным. Значение этого показателя регулируется при помощи автоматической системы.

Сжатый воздух, который необходим для сжигания топлива, поступает в печь благодаря воздуходувным машинам. Его давление на колошнике у современных печей достигает 25 МПа. Очистка колошникового газа происходит посредством газоочистителя.

Назначение доменной печи и принцип работы

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.

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.

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.

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

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

• чугун;
• шлак;
• доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.

Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

• передельные идущие на передел в сталь;
• литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
• специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

• мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
• бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
• томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

• Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
• Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
• Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Фосфористые чугуны.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

• труб;
• радиаторов;
• водопроводной арматуры;
• станин;
• блоков;
• шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Сера придает чугуну густоплавкость и понижает его механические свойства.

Специальные чугуны (ферросплавы).

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

К ним относятся:

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

В последние годы выплавка ферросплавов в доменных печах сократилась в виду неэкономичности передела. Более выгодно выплавлять ферросплавы в электропечах.

Шлак — побочный продукт, он является очень дешевым строительным материалом высокого качества и идет на изготовление цемента, бетона, кирпича, на грунтовку дорог.

Количество получаемого при плавке шлака очень велико (примерно 60% веса выплавляемого чугуна).

Шлаки бывают основные и кислые.

Кислый шлак имеет высокую прочность. Если его в жидком виде продуть паром или воздухом, получится шлаковая вата, являющаяся хорошим изолятором.

Доменный (колошниковый газ)

Это газ, выходящий из печи через ее верхнюю часть – колошник.

Он состоит из СО, Н2, СО2, СН4 и N2. После очистки от содержащейся в нем пыли, газ используется как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь, для отопления котлов и других целей.

Поскольку в газе содержится до 30 % СО, то он является топливом, которое используют после очистки от пыли. Количество колошникового газа в 2,5 раза по массе превышает количество чугуна. Теплота сгорания составляет 3600—3900 кДж/м3.

При работе доменной печи на комбинированном дутье с применением природного газа содержание водорода в колошниковом газе возрастает до 6—8, а иногда до 12 %, при этом теплота сгорания возрастает до 4200 кДж/м3.

Около 30—35 % колошникового газа используется в доменном цехе для обогрева насадок воздухонагревателей. Остальной газ используется в прокатных и термических цехах и на теплоэлектроцентрали.

Процесс получения чугуна осуществляется в доменных печах.

Сырые материалы доменной плавки, взятые в необходимых соотношениях, составляют шихту.

Чугун является первичным продуктом, получаемым из исходного сырья. Получение чугуна основано на извлечении железа из руд с помощью различных окислительно-восстановительных реакций. В дальнейшем чугун используется как исходное сырье для получения стали.

Здравствуйте, дорогие читатели! Меня зовут Виталий Иванович, и я занимаюсь строительством печей, каминов и установкой отопительного оборудования.

Вот уже более 40 лет, начиная в далеком 1977 году помощником печника я изучаю это дело и совершенствую свои навыки. С выходом на пенсию стало больше свободного времени и я решил поделиться своим опытом с вами. Читайте на здоровье и задавайте вопросы в комментариях!

Доменная печь: как появилась, схема, конструкция и компоненты, как работает

72,357 просмотров, 1 комментарий

Автор: Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплоэнергетик*

© При использовании материалов сайта (цитат, изображений) указание источника обязательно.

Наше время как только не называли: веком атома, космоса, пластиков, электроники, композитов и т.д., и т.п. На самом деле наш век пока все-таки железный – его сплавы все еще составляют ядро техники; остальное хоть и очень мощная, но периферия. Путь железа в конструкции, изделия и сооружения начинается выплавкой чугуна из руды в доменной печи.

Примечание: богатых железных руд, непосредственно после добычи пригодных на выплавку, в мире почти не осталось. Теперешние доменные печи работают на обогащенном агломерате и окатышах. Далее в тексте под рудой подразумевается именно такое сырье для черной металлургии.

Современная доменная печь (домна) – грандиозное сооружение высотой до 40 м, весом до 35 000 тонн и рабочим объемом до 5500 куб. м, выдающее за одну плавку до 6000 тонн чугуна. Обеспечивает работу домны сонм систем и агрегатов, занимающих площадь в десятки и сотни га. Все это хозяйство выглядит внушительно и в останове при потушенной домне в пасмурный день, а в работе просто феерически. Выпуск чугуна из домны также зрелище захватывающее, хотя в современных доменных печах он уже не походит на картину из дантова ада.

Гигантская доменная печь в останове и в работе

Выпуск чугуна из доменной печи

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.

История

Железный век сменил бронзовый главным образом вследствие доступности сырья. Сырое железо много уступало бронзе во всем прочем, включая трудоемкость и себестоимость; последние, впрочем, во времена рабства мало кого волновали. Но болотную руду, представляющую собой почти чистую гидроокись железа, или богатую горную железную руду, в древности можно было найти повсюду, в отличие от месторождений меди и – особенно – олова, необходимых для получения бронзы.

Первое железо из минерального сырья было получено, судя по данным археологии, случайно, когда в медеплавильную печь загрузили не ту руду. При раскопках древнейших плавилен возле печей иногда находят явно выброшенные куски железной крицы (см. ниже). Дефицит сырья заставил приглядеться к ним получше, ну, а соображали древние в общем не хуже нас.

Вначале железо из руды получали т. наз. сыродутным способом в печи-домнице (не домне!). Восстановление Fe из окислов при этом происходило за счет углерода топлива (древесного угля). Температура в домнице не достигала точки плавления железа в 1535 градусов Цельсия, и в результате процесса восстановления в домнице утверждалась масса губчатого железа, перенасыщенного углеродом – крица. Чтобы извлечь крицу, домницу приходилось ломать, а затем уплотнять крицу и буквально выколачивать из нее избыточный углерод, долго, сильно и упорно проковывая тяжелым молотом. С тогдашней точки зрения, плюсами сыродутного процесса была возможность получать крицу в очень маленькой печи и высокое качество кричного железа: оно прочнее литого и плохо поддается ржавлению. Как получают железо сыродутным способом, см. видео ниже.

Видео: выплавление железа сыродутным способом

Китай первым, намного раньше остальных стран, перешел от рабства к феодализму. Рабский труд в производстве там перестал применяться и товарно-денежные отношения начали развиваться, еще когда на Западе прочно стоял Древний Рим. Сыродутный процесс сразу стал нерентабельным, но вернуться к бронзе уже нельзя было, ее просто не хватило бы. Роль флюса в облегчении выплавки из руды металла была известна еще в бронзовом веке, для плавки железа требовалось только усилить наддув, и китайцы путем проб и ошибок к IV в. н. э. научились строить доменные печи с наддувом мехами, приводимыми в движение водяным колесом, слева на рис.

Старинные доменные печи

К идентичной конструкции во второй половине XV в. пришли немцы, справа на рис. Вполне самостоятельно: историки прослеживают непрерывный ряд усовершенствований от домницы через штукофены и блауофены к домне. Главное, что внесли в черную металлургию немецкие металлурги – пережигание высококачественного каменного угля в кокс, что намного удешевило стоимость топлива для домны.

Страшным врагом первоначального доменного процесса было т. наз. закозление, когда вследствие нарушения режима дутья или недостатка углерода в шихте в печь «садился козел», т.е. шихта спекалась в сплошную массу. Чтобы извлечь козла, домну приходилось ломать. Показателен такой исторический пример.

Уральские заводчики Демидовы, как известно, славились своей жестокостью и бесчеловечным обращением с рабочими, тем более что тех много было «беспачпортных», беглых крепостных и дезертиров. «Работных» однажды совсем допекло, и они предъявили приказчику свои требования, надо сказать, довольно скромные. Тот их по демидовскому обычаю буквально послал по-русски. Тогда рабочие пригрозили: «А ну давай самого сюда, не то козла в печку посадим!» Приказчик вытянулся, побледнел, на лошадь и – галопом прочь. Не прошло часа (во времена гужевого транспорта – моментально), прискакал на взмыленном коне взмыленный «сам», и с ходу: «Братцы, да вы чего? Да я ж что, чего вам?» Рабочие повторили требования. Хозяин, образно выражаясь, присел, сказал «Ку!» и тут же велел приказчику выполнить все досконально.

До XIX в. домны были фактически сыродутными: в них вдувался неподогретый и не обогащенный кислородом атмосферный воздух. В 1829 г. англичанин Дж. Б. Нилсон попробовал подогреть вдуваемый воздух всего до 150 градусов (предварительно запатентовав свою воздухогрейку в 1828 г.) Расход дорогого кокса сразу упал на 36%. В 1857 г. тоже англичанин Э. А. Каупер (Cowper) придумал регенеративные воздухонагреватели, названные впоследствии в его честь кауперами. В кауперах воздух за счет дожигания отходящих доменных газов нагревался до 1100-1200 градусов. Расход кокса снизился еще в 1,3-1,4 раза и, что тоже очень важно, домна с кауперами оказалась не подверженной закозлению: при появлении его признаков, что случалось крайне редко при очень грубых нарушениях техпроцесса, всегда оставалось время раздуть печь. Кроме того, в кауперах за счет частичного распада паров воды забираемый воздух обогащался кислородом до 23-24% против 21% в атмосфере. В введением в схему домны кауперов процессы в доменной печи с точки зрения термохимии достигли совершенства.

Доменный газ сразу стал ценным вторичным сырьем; об экологии тогда не думали. Чтобы его не транжирить, вскоре домну дополнили колошниковым аппаратом (см. далее), позволявшим загружать шихту и кокс, не выпуская доменный газ в атмосферу. На этом эволюция доменной печи в принципе закончилась; дальнейшее ее развитие шло по пути важных, но частных усовершенствований, улучшения технико-экономических, а затем и экологических показателей.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Химические процессы и температура в разных зонах доменной печи

По мере сгорания кокса и распада флюса столб материалов в домне оседает. В общем доменная печь представляет собой два составленных основаниями усеченных конуса, см. далее. Верхний, высокий, это шахта домны, в ней железо из разнообразных окислов и гидроокиси восстанавливается до моноксида железа FeO. Самая широкая часть доменной печи (место сопряжения оснований конусов) называется распаром (распар, распара – неправильно). В распаре оседание загрузки замедляется, и железо восстанавливается из FeO до чистого Fe, которое выделяется каплями и стекает в горн домны. Руда как бы парится, потея расплавленным железом, отчего и название.

Примечание: время прохождения очередного колоша шихты в домне от верха шахты до расплава в горне составляет от 3-х до 20 и более суток в зависимости от размера доменной печи.

Температура в доменной печи в пределах столба загрузки растет от 200-250 градусов под колошником до 1850-2000 градусов в распаре. Восстановленное железо, стекая вниз, контактирует со свободным углеродом и при таких температурах сильно им насыщается. Содержание углерода в чугуне превышает 1,7%, но выколотить его, как из крицы, из чугуна невозможно. Поэтому полученный из домны чугун тут же, чтобы не тратить средства и ресурсы на его переплавку, увозят жидким для первого передела в обычную конструкционную сталь или слябы, а доменная печь, как правило (большие и сверхбольшие домны – исключительно), работает в составе металлургического комбината.

Конструкция домны

Конструкция доменной печи как сооружения дана на рис:

Конструкция доменной печи

Вся домна собирается в стальном футляре с толщиной стенок от 40 мм. В жароупорный пень домны (цоколь, оголовок, навершие подземного фундамента) замуровывается лещадь (под) цилиндрического горна. Футеровка горна достигает толщины 1,3-1,8 м и неоднородна: осевая зона лещади футеруется высокоглиноземистым кирпичом, плохо проводящим тепло, а бока – графитированными материалами, обладающими довольно высокой теплопроводностью. Так нужно, поскольку термохимия расплава в горне еще не «успокоилась» и там выделяется некоторый избыток тепла против потерь на остывание. Если его не отвести вбок, на жароустойчивый пень, строение доменной печи потребует очередного ремонта более высокого разряда (см. ниже).

Расширяющаяся вверх часть домны – заплечики – футеруется уже графитированными блоками толщиной ок. 800 мм; такой же толщины шамотная футеровка шахты. Шамот, как и футеровка горна с заплечиками, не смачивается расплавленным шлаком, но ближе к последнему по химическому составу. Т.е., домна в работе минимально обрастает нагаром и лучше держит внутренний профиль, что упрощает и удешевляет очередной ремонт.

Горн и заплечики работают в самых тяжелых условиях, лишние весовые нагрузки для них опасны, поэтому шахта домны опирается своими плечами (кольцеобразным выносом) на прочное стальное кольцо – маратор – покоящееся на стальных колоннах, замурованных в пень. Таким образом, весовые нагрузки горна с заплечиками и шахты передаются на основание домны раздельно. Горячий воздух из кауперов задувается в домну из кольцевого трубчатого коллектора с теплоизоляцией через специальные устройства – фурмы, см. далее. Фурм в домне бывает от 4-х до 36 (в доменных печах-гигантах на 8000-10 000 тонн шихты и 5-6 тыс. тонн чугуна в сутки).

Разряды ремонта

Текущее состояние доменной печи определяется по химическому составу чугуна и шлака. Если содержание примесей подходит к пределу, назначается ремонт домны 1-го разряда. Из горна выпускают расплавы, глушат кауперы (см. далее) и оставляют домну на малом дыхании, с температурой внутри горна 600-800 градусов. Ремонт 1-го разряда включает в себя визуальный осмотр, ревизию механического состояния, измерение показателей профиля печи и взятие проб футеровки для химического анализа. Когда-то домну на малом дыхании осматривали люди в специальных защитных костюмах с автономными дыхательными приборами, ныне это делается дистанционно. После ремонта 1-го разряда домну можно вновь запускать без розжига.

Результатом ремонта 1-го разряда чаще всего (если только не проморгали плохую руду, флюс и/или бракованный кокс) назначается ремонт 2-го разряда, в ходе которого подправляется футеровка. Ее частичная или полная перекладка, рихтовка или замена колошникового аппарата осуществляются в порядке ремонта 3-го разряда. Он, как правило, приурочивается к технической реконструкции предприятия, т.к. требует полного останова, остывания печи, а затем ее перезагрузки, розжига и перезапуска.

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:

1. 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;
2. скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;
3. вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;
4. вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);
5. большой конус поднимается, отсекая доменные газы;
6. малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;
7. малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;
8. 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, 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.

А своими руками?

Черная металлургия – высокорентабельный бизнес. Знаете ли вы, что «подъем» на ней в несколько раз выше, чем от добычи золота? Думаете, нефти и газа осталось мало? Нет, их при теперешних темпах потребления и полном пренебрежении экологией хватит еще на 120-150 лет. А вот железной руды осталось всего лет на 30. Так нельзя ли наладить металлургическое производство у себя на дворе?

Товарное с целью извлечения прибыли – никоим образом. Первое, о разрешениях забудьте и думать. Черная металлургия едва ли не главная угроза окружающей среде. ИП и физлица на нее нигде, никак и ни за какие взятки не лицензируются, а наказания за нарушения суровые.

Второе – сырье. Месторождений богатой руды, которую сразу можно грузить в домну, в мире осталось аж 2: в Австралии и Бразилии. Промышленные запасы болотной руды исчерпаны еще в древности, и для их восстановления нужны многие тысячи лет. Агломерата и окатышей в широкой продаже нет и не будет.

В общем, частная черная металлургия для рынка это сейчас абсолютно нереально. Попробуйте лучше печатать на 3D принтере. Перспективное дело, со временем 3D печать если не заменит металлургию полностью, то уж точно вытеснит ее в небольшие ниши, где без металла никак не обойтись. Для экологии это будет равнозначно сокращению потребления углеводородного топлива не менее чем в 7-9 раз.

Доменная печь

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная, наибольшая по размерам, доменная печь ежесуточно расходует около 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная, наибольшая по размерам, доменная печь ежесуточно расходует около 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Общее описание доменной печи

Доменная печь – печь шахтного типа (рис. 19). Сверху в печь порциями непрерывно загружают шихтовые материалы – агломерат (окатыши) и кокс, которые медленно опускаются вниз; длительность их пребывания в печи составляет 4…6 ч. В нижнюю часть печи (верх горна) через фурмы подают дутье – нагретый воздух; у фурм за счет кислорода дутья сгорает кокс с выделением тепла, а горячие продукты сгорания движутся через столб шихты вверх, нагревая ее; время пребывания газов в печи составляет 3…12 с.

Рис. 19. Общий вид доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом:
1 — фундамент; 2 — колонна; 3— летка для выпуска чугуна; 4— чугунные желоба; 5 — фурменные устройства; б — кольцевой воздухопровод; 7 — мараторное кольцо кожуха; 8 — футеровка; 9 — стальной кожух; 10 — колошник; 11 — большой конус; 12 — малый конус; 13 — вращающий механизм засыпного устройства; 14 — приемная воронка; 15, 19 — газоотводы; 16 — скип; 17 — воронка; 18 — наклонный мост; 20 — воронка (чаша); 21 —летка для выпуска шлака; 22 — площадка.

При опускании нагревающейся шихты в ней из оксидов восстанавливается железо, которое науглероживается, расплавляется и каплями стекает в горн, формируя чугун, а невосстановившиеся оксиды в нижней части печи (низ шахты, распар) расплавляются, образуя шлак, который также стекает в горн. Накапливающиеся в горне чугун и шлак, имеющие температуру 1450…1500°С, периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки.

Общий вид доменной печи, оборудованной двухконусным засыпным аппаратом, показан на рис. 19. Печь опирается на фундамент 1, большая часть которого заглублена в землю. Снаружи печь заключена в сплошной стальной кожух 9. Внутри кожуха находится футеровка 8, охлаждаемая холодильниками, которые крепятся к внутренней поверхности кожуха. В нижней части печи (горне) расположены летки 3 для выпуска чугуна и летки 21 для выпуска шлака.

Вокруг печи проложен кольцевой футерованный воздухопровод 6, в который из воздухонагревателей подается горячее дутье (воздух); кольцевой воздухопровод служит для подвода дутья к многочисленным расположенным по окружности печи фурменным устройствам 5, через которые дутье поступает в верхнюю часть горна.

Выше колошника 10 печи расположено колошниковое устройство. Оно включает газоотводы 15, 19, служащие для отвода из печи доменного газа; засыпной (загрузочный) аппарат и ряд других механизмов, связанных ci загрузкой шихты и отводом газа. Показаны элементы засыпного аппарата: большой конус 11, закрывающий воронку (чашу) 20; малый конус 12, закрывающий воронку 17, и механизм 13, обеспечивающий их вращение; приемная воронка 14, в которую шихтовые материалы высыпают из скипа 16 путем его опрокидывания, причем скип доставляют на колошник по рельсам наклонного моста 18.

Тяжесть кожуха и футеровки верхней части печи передается на фундамент через мараторное кольцо 7 кожуха и колонны 2. Выпускаемый из печи через летки 3 жидкий чугун поступает в располагаемые на рабочей площадке 22 чугунные желоба 4 и по ним в чугуновозные ковши; выпускаемый через летки 21 шлак по расположенным на площадке 22 шлаковым желобам стекает в шлаковозные ковши либо на установки припечной грануляции жидкого шлака.

Профиль печи

Профилем доменной печи называют очертание рабочего пространства, ограниченного футеровкой. В горизонтальных (поперечных) сечениях профиль представляет собой окружности переменного диаметра.

Профиль печи в вертикальном осевом сечении представлен на рис. 20; основные элементы профиля – это горн, заплечики, распар, шахта и колошник, составляющие полезный объем печи, т.е. объем от оси чугунной летки – О.Ч.Л. – до низа подвижных элементов засыпного аппарата в опущенном положении (в полезный объем не входят объем 1 нижней части горна от оси чугунной летки до кладки лещади, где находится несливаемый слой жидкого чугуна, и ограниченный куполом 3 печи объем 2, в котором расположены элементы засыпного аппарата).

Рис. 20. Профиль доменной печи

Колошник имеет форму цилиндра и служит для приема загружаемой сверху шихты. Ниже колошника расположена расширяющаяся книзу шахта; это расширение необходимо, чтобы обеспечить свободное опускание шихтовых материалов, объем которых увеличивается в результате нагрева. Распар, представляющий собой короткий цилиндр, служит для создания плавного перехода от расширяющейся шахты к сужающимся заплечикам.

Заплечики выполнены в виде усеченного конуса; такая их форма необходима, поскольку здесь происходит плавление рудной части шихты, в результате чего объем шихты уменьшается и суживающиеся заплечики не позволяют шихте слишком быстро опускаться в горн. Последний имеет цилиндрическую форму, в нижней его части скапливаются жидкие чугун и шлак, а в верхнюю подают дутье и здесь сгорает топливо (кокс).

Основным размером доменной печи является полезный объем. В России доменные печи строятся по типовым проектам, в соответствии с которыми предусмотрены следующие величины полезного объема, м 3 : 1033, 1386, 1513, 1719, 2002, 2300, 2700, 3000, 3200, 4500, 5000 и 5500.

Фундамент, кожух и холодильники

Фундамент является основанием печи и служит для передачи нагрузки, создаваемой массой печи на грунт. Площадь фундамента рассчитывают с учетом массы печи (например, масса печи объемом 5000 м 3 с шихтой достигает 450 т) и того, что давление на грунт не должно превышать 2,5 кг/см 2 .

Фундамент состоит из двух частей (рис. 21): нижней, подземной, называемой подошвой 1, и верхней, называемой пнем 2. Подошву выполняют из бетона, а пень – из жароупорного бетона с огнеупорностью 1400…1500 °С. Жаропрочность придается бетону применением огнеупорного наполнителя – боя шамота. В качестве связки применяют портландцемент с тонкомолотыми добавками шамота или огнеупорной глины.

Рис. 21. Фундамент и лещадь печи объемом 5500 м 3 : 1 — подошва фундамента; 2 — пень; 3 — углеродистые блоки; 4 — холодильники; 5 — воздушное охлаждение низа лещади

Подошву делают в виде восьмиугольной плиты толщиной 4…6 м, толщина пня составляет 2…3,5 м. От перегрева и термического разрушения фундамент на современных печах предохраняют путем воздушного охлаждения низа лещади (стыка лещади с пнем).

На подошву фундамента у большинства печей опираются стальные колонны (рис.19, 2), передающие нагрузку верхнего строения печи.

Кожух доменной печи представляет собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрических и конических поясов, изготовленных из стального листа. Толщина кожуха в верхней части составляет 20…40, в нижней 40…60 мм. Делают кожух из сталей с высокой ударной вязкостью, прочностью, пластичностью, термостойкостью (16Г2АФ, 10Г2С1, 14Г2 и др.).

Большая часть печей имеет кожух с маратором или мараторным кольцом (рис.19, 7), т.е. горизонтально расположенным кольцом из стального листа, сваренным с кожухом нижней части шахты и верха заплечиков. Через маратор и колонны (рис. 19, 2) нагрузка верхней части печи передается на фундамент; кроме того маратор служит опорой для кладки шахты и распара.

Строившиеся в последние годы отечественные печи объемом 3000…5000 м 3 стали делать с самонесущим, т.е. гладким кожухом без мараторного кольца. При этом ухудшились условия опоры кладки шахты на кожух и на новой, более мощной отечественной печи объемом 5500 м 3 , кожух сделан самонесущим, но с небольшим мараторным кольцом, служащим для опоры кладки шахты.

В кожухе печи делают вырезы для фурм, чугунных и шлаковых леток, для горизонтальных холодильников (если они имеются), а также отверстия для болтов крепления вертикальных холодильников и для трубок, подводящим к ним воду.

Холодильники служат для охлаждения футеровки и кожуха печи с помощью пропускаемой через них холодной технической воды, а при испарительном охлаждении – с помощью кипящей химически очищенной воды. Широко применяются плитовые холодильники, располагаемые вертикально между кожухом и футеровкой. Холодильник – это плита из чугуна с залитой в ней стальной трубкой в виде змеевика для циркулирующей воды. Холодильник крепят к кожуху печи с помощью болтов.

При испарительном охлаждении во избежание образования паровых пробок кипящая вода должна двигаться снизу вверх; поэтому в плиту заливают две или более вертикально располагаемые трубки с подводом воды к каждой из них снизу и отводом сверху.

Футеровка печи

Огнеупорная футеровка (кладка) доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком.

Применяемые огнеупоры. Для футеровки доменной печи применяют качественный (доменный) шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, углеродистые блоки, иногда карбидокремниевый кирпич. Основу шамота составляют SiО₂ и Аl₂O₃.

Для доменных печей стандартом предусмотрено три сорта шамотных изделий с содержанием Аl₂O₃ соответственно не менее 42, 41 и 39%; они отличаются повышенной плотностью и прочностью, высокой огнеупорностью (> 1750 °С), низким содержанием Fe₂O₃ (

Кирпич с более высоким содержанием Аl₂O₃ применяют для кладки низа печи, а с более низким – для кладки верха. Кроме того, для кладки печей объемом ≤1033 м 3 стандартом предусмотрена марка шамота с меньшим (> 37 %) содержанием Аl₂O₃, меньшей огнеупорностью (> 1730°С), прочностью и плотностью. Кирпич может быть длиной 230 мм (нормальный) и 345 мм (полуторный). Применение кирпичей различной длины обеспечивает хорошее переплетение швов кладки.

Высокоглиноземистый муллитовый кирпич, применяемый для кладки лещади, содержит > 63 % Аl₂O₃ при огнеупорности >1800 °С. Доменный карбидокремниевый кирпич содержит > 72 % SiC и > 7 % азота и отличается от огнеупоров на основе Аl₂O₃ и SiO₂ заметно большей прочностью и теплопроводностью.

Углеродистые блоки изготовляют из кокса и обожженного антрацита с добавкой в качестве связующего небольшого количества каменноугольного пека. Длина блоков достигает 3…4 м, они прямоугольного сечения 400×400 и 550×550 мм. Блоки в комбинации с высокоглиноземистым кирпичом больших размеров (400×200×100 мм) применяют для кладки самой нижней части печи – лещади.

Швы между огнеупорными кирпичами заполняют раствором, изготовленным из мертелей, соответствующих классу кирпича. Мертель – это порошок, состоящий из измельченного шамота и огнеупорной глины. Для ответственных видов кладки применяют мертели с добавкой небольших количеств поверхностно-активных и клеющих веществ (сода, сульфитно-спиртовая барда), что позволяет приготавливать растворы с меньшей влажностью при одновременном повышении их пластичности.

Для заполнения швов между углеродистыми блоками применяют углеродистую пасту, состоящую из кокса и смолопека. Зазор между блоками допускается не более 0,5 мм для вертикальных и не более 1,5 мм для горизонтальных швов.

Лещадь. Ранее лещади доменных печей выкладывали из качественного шамотного кирпича. Однако рост объема печей и интенсификация плавки вызывали быстрое разрушение такой кладки. Поэтому в настоящее время лещади делают либо цельноуглеродистыми, либо комбинированными из углеродистых и высокоглиноземистых огнеупоров. Применение углеродистых огнеупоров вызвано тем, что из-за их высокой теплопроводности снижается перегрев и вследствие этого уменьшается разрушение кладки лещади.

Горн. Футеровку горна до уровня фурм выполняют из углеродистых блоков, а в районах фурм и чугунных и шлаковых леток из шамотного (> 42 % Аl₂O₃) кирпича, поскольку углерод здесь может окисляться кислородом дутья, диоксидом углерода (СO₂), а также парами воды из огнеупорных масс. При работе на безводных леточных массах район чугунных леток делают из углеродистых блоков. Для предотвращения окисления углеродистых блоков в период задувки печи их защищают кладкой в один ряд из шамотного кирпича.

Толщина футеровки у низа горна достигает 1600 мм. Снаружи кладку горна охлаждают гладкими плитовыми холодильниками.

Заплечики. Кладку заплечиков чаще всего делают тонкостенной (толщина 230 или 345 мм) из шамотного (> 42 % Аl₂O₃) кирпича в один ряд, при этом кирпич примыкает к периферийным плитовым холодильникам с залитым кирпичом. Иногда вместо шамота применяют карбидокремние вые кирпичи. Кладка заплечиков быстро изнашивается и вместо нее на поверхности холодильников формируется слой гарнисажа (застывшего шлака и мелких кусков шихты).

Шахта и распар. Кладку распара и охлаждаемой части шахты (~2/3 ее высоты снизу) выполняют из шамотного (> 41…42 % Аl₂O₃) или карбидокремниевого кирпича, а кладку верхней неохлаждаемой части шахты из шамота, содержащего > 39 % Аl₂O₃. Кирпичи укладывают в два – три ряда вперевязку.

Кладка шахты с распаром может быть толсто-, средне- и тонкостенной. В прежние годы широко применяли толстостенную кладку (толщина верха шахты 800…900 мм и до 1300 мм в районе распара) с горизонтальными холодильниками, заглубленными в кладку и служащими ее опорой. Однако в связи с тем, что холодильники расположены на расстоянии друг от друга, плохо охлаждается кожух, и после износа футеровки возникают его местные перегревы, вызывая термическую деформацию и возможность появления трещин.

Кроме того, вырезы в кожухе для установки горизонтальных холодильников снижают его прочность и делают кожух менее герметичным. В связи с этим в последние годы делают тонко- и среднестенные шахты. Тонкостенная шахта (и распар) имеет в охлаждаемой части толщину кладки 230…345 мм и в верхней неохлаждаемой части 575…690 мм с охлаждением вертикальными ребристыми холодильниками, причем часть холодильников имеет горизонтальные выступы, которые служат опорой для кладки и способствуют удержанию гарнисажа.

Среднестенная шахта имеет толщину кладки в охлаждаемой части 575…900 мм и в неохлаждаемой 700 мм, охлаждение либо комбинированное из вертикальных ребристых холодильников в сочетании с горизонтальными, либо из вертикальных ребристых холодильников, имеющих горизонтальные выступы.

В распаре и охлаждаемой части шахты по мере износа кирпича образуется слой гарнисажа. С тем, чтобы уменьшить давление от расширяющейся при нагреве кладки на кожух печи и предотвратить его разрыв, между футеровкой и вертикальными холодильниками по всей высоте печи (кроме распара) предусматривают зазор в 70…200 мм, заполняемый шамотоасбестовой или пластичной углеродистой массой.

Колошник. Собственно футеровка колошника состоит из одного ряда шамотного кирпича, выкладываемого у кожуха. За ним располагают “колошниковую защиту”, которая воспринимает удары падающих сверху в процессе загрузки кусков шихты. Широко распространенная ее разновидность состоит из стальных сегментов – литых полых коробок, заполненных шамотным кирпичом. Сегменты расположены несколькими кольцевыми рядами по высоте колошника; соседние по окружности сегменты соединены между собой болтами.

Вся колошниковая защита крепится к кожуху с помощью не скольких подвесок, в каждой из которых сегменты прикреплены к вертикальной пластине, соединенной с серьгой, которая свободно подвешена на штыре, вставленном в отверстие кронштейна; последний прикреплен к кожуху болтами. Такая подвеска позволяет всем сегментам перемещаться вверх в случае роста кладки шахты в вертикальном направлении в результате ее нагрева.

Горн доменной печи

Горн условно подразделяют на две части – верхнюю фурменную зону, где сгорает кокс, и нижнюю – металлоприемник, служащий для накопления жидкого чугуна и шлака, и где расположены чугунные и шлаковые летки. Высота горна (расстояние от оси чугунной летки до заплечиков) на современных печах составляет 3,2…3,9 м, а на наиболее мощной отечественной печи объемом 5500 м 3 она увеличена до 5,7 м.

Чугунные летки располагают на 600…1800 мм выше лещади, а находящаяся ниже леток часть металлоприемника заполнена несливаемым или “мертвым” слоем жидкого чугуна; этот слой необходим для предотвращения размывания лещади потоками чугуна в горне и предохранения ее от воздействия высоких температур. Печи малого объема имеют одну чугунную летку, печи объемом около 2000 м 3 – две, печи объемом 2700 м 3 – три, а печи объемом 3200…5500 м 3 – четыре летки.

На больших печах с четырьмя поочередно работающими летками, число выпусков чугуна в сутки достигает 18…24, на печи объемом 1000 м 3 оно равно 4…5.

Шлаковые летки располагают выше оси чугунных леток на 1,4…2,0 м. На печах объемом 2700 м 3 и менее имеется по две шлаковых летки, служащих для выпуска так называемого “верхнего” шлака; кроме того, часть шлака вытекает вместе с выпускаемым чугуном через чугунные летки (“нижний” шлак). На печах объемом 3200…5500 м 3 , имеющих четыре чугунных летки, практически весь шлак выходит через чугунные летки вместе с чугуном, и на этих печах делают одну шлаковую летку, имеющую резервное значение.

Чугунная летка показана на рис. 22. Вырез для летки в кожухе печи обрамлен приваренной к нему стальной кольцевой рамой 2, футерованной внутри шамотным кирпичом. Летка представляет собой сквозной канал в кладке горна и рамы; этот канал шириной 250…300 и высотой 400…500 мм заполнен огнеупорной леточной массой. Для выпуска чугуна в массе просверливают отверстие диаметром 50…80 мм с помощью сверлильной машины, вращающей бур. После выпуска чугуна канал летки забивают огнеупорной массой с помощью электропушки.

Рис. 22. Чугунная летка:
1 — кожух печи; 2 — рама летки; 3 — шамотная кладка; 4 — холодильник летки; 5 — леточная масса; 6 — канал летки; 7 — жидкий чугун

Шлаковые летки обрамляют арматурой, называемой шлаковым прибором, который помещают в проем горновых холодильников и крепят к кожуху печи. Шлаковый прибор преставлен на рис. 23.

Рис. 23. Шлаковый прибор

Он состоит из телескопически соединенных элементов: медной сварной или штампованной полой охлаждаемой водой фурмы 1 диаметром 50…70 мм, литого медного полого холодильника (шлаковой амбразуры) 2, чугунного холодильника 3 с залитым спиральным змеевиком для охлаждающей воды, чугунной водоохлаждаемой амбразуры 4 аналогичной конструкции и рамы 5, при помощи которой прибор крепится к кожуху печи.

Все элементы прибора имеют коническую форму, что облегчает их замену при повреждении. Отверстие шлаковой фурмы закрывают металлической пробкой при помощи специального механического стопора. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной массой, в которой прорезают отверстие для выхода шлака из печи. Трубки 6 служат для подвода…отвода воды к фурме.

Фурменный прибор. В верхней части горна на расстоянии 2700…3500 мм от оси чугунной летки горна по его окружности с равными промежутками устанавливают воздушные фурмы, через которые в печь поступает нагретое до 1100…1300 °С дутье, природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо).

На существующих печах объемом от 1033 до 5500 м 3 число фурм составляет 16…42).

Комплекс устройств, служащих для подвода дутья в горн из кольцевого воздухопровода, называют фурменным прибором (рис. 24).

Рис. 24. Фурменный прибор

Основная часть прибора – медная пустотелая воздушная фурма 1 с внутренним диаметром 140…190 мм, охлаждаемая водой. Фурма выступает из кладки внутрь печи на расстояние 300…500 мм.

Фурму устанавливают в медную полую литую амбразуру 2, а амбразуру – в имеющий залитую спиральную трубку чугунный холодильник (кадушку) 3, который своим фланцем крепится к кожуху печи с помощью болтов. Фурма, амбразура и холодильник охлаждаются проточной водой.

Дутье, подаваемое к фурме 1 из кольцевого воздухопровода 12, проходит по прикрепленным к нему рукаву 11 и неподвижному патрубку (колену) 10; подвижному колену 7, которое прикреплено к патрубку 10 при помощи двух подвесок 8, и по сменному соплу 4. Подвижное колено 7 прижимает сопло к фурме с помощью пружинного натяжного устройства 5, присоединенного к кожуху печи.

Для обеспечения герметичности прибора (на случай перекосов отдельных элементов в результате нагрева и др.) в местах стыка фурма-сопло, сопло-подвижное колено и подвижное колено-патрубок 10 предусмотрены шаровые соединения (стыки заточены по шаровой поверхности). В торце подвижного колена предусмотрена закрытая стеклом гляделка 6 для наблюдения за работой прифурменной зоны.

Рукав, патрубок 10 и подвижное колено футеруют внутри шамотным кирпичом. Сопло делают из стали с тонкой футеровкой изнутри.

Фурма и амбразура периодически прогорают и для их смены отсоединяют натяжное устройство 5, ослабляют подвески 8 и разворачивают подвижное колено вокруг оси 9 подвесок 8 в положение, удобное для удаления сопла, фурмы и амбразуры.

Кольцевой воздухопровод 12, по которому горячее дутье подводят к фурмам, футерован шамотным кирпичом и имеет диаметр в свету 800…1800 мм в зависимости от объема печи.

Колошниковое устройство

Колошниковое устройство представляет собой многоэтажную металлическую конструкцию, служащую для поддержания комплекса механизмов, предназначенных для загрузки шихты в доменную печи (засыпной аппарат и др.), отвода газов (газоотводы) и для монтажа оборудования.

Газоотводы. Для отвода доменного газа в куполе печи имеются отверстия и идущие от них вверх газоотводы. Обычно число газоотводов равно четырем, их соединяют вначале симметрично попарно, а затем в один газоход, идущий вниз к пылеуловителям, расположенным на нулевой отметке (на печах объемом 5000…5500 м 3 имеется восемь газоотводов и по два нисходящих газохода). От верхних точек газоотводов отходят вертикальные свечи (трубы), заканчивающиеся атмосферным клапаном, который открывается, выпуская газ в атмосферу при превышении давления в печи сверх допустимого. Число свечей с клапанами колеблется от двух до четырех, они служат также для выпуска газа при остановках печи.

Засыпной аппарат. Он предназначен для загрузки шихты, необходимого ее распределения по сечению колошника, т.е. печи и для обеспечения герметичности печи в процессе загрузки, т.е. для предотвращения попадания в печь воздуха, ведущего к возможности взрыва, и предотвращения выделения печного газа в атмосферу.

Большая часть доменных печей оборудована двухконусными засыпными аппаратами, а новые печи сооружают с засыпными аппаратами новой конструкции – бесконусными.

Двухконусный засыпной аппарат показан на рис. 25, а.

Его основными элементами являются:

• большой конус 1 с воронкой (чашей) 2;
• вращающийся распределитель шихты, состоящий из малого конуса 4 и воронки 10;
• приемная воронка 6.

Большой и малый конусы могут перемещаться вверх-вниз; в верхнем положении большой конус прижат к воронке 2, а малый к воронке 10, изолируя рабочее пространство печи от атмосферы; положение конусов в опущенном состоянии показано пунктиром. Малый конус подвешен на полой трубчатой штанге 5, большой – на штанге 3, проходящей внутри полой штанги 5, благодаря чему конусы могут опускаться и подниматься независимо друг от друга. Воронка 10 связана с приводом, обеспечивающим ее вращение вместе с малым конусом.

Шихтовые материалы доставляют на колошник двумя скипами (тележками), движущимися по рельсам 8 наклонного моста 9; в крайнем верхнем положении скип 7 опрокидывается, поскольку его передние колеса катятся по рельсам, загнутым вниз, а задние — по другим рельсам, загнутым вверх и поднимающим заднюю часть скипа (см. рис. 25, а). При этом порция шихты высыпается через приемную воронку на поверхность малого конуса, после чего он опускается и материал просыпается вниз на поверхность большого конуса, а малый конус сразу же поднимается.

Подобным образом на поверхность большого конуса загружают два-шесть скипов (набирают подачу). Затем при поднятом малом конусе опускают большой конус, и материал подачи просыпается в печь, после чего большой конус поднимается.

Далее на большой конус набирают новую подачу (два-шесть скипов), но перед каждым опусканием малого конуса он с воронкой 10 поворачивается на 60°. Загрузив эту подачу в печь путем опускания и подъема большого конуса, на него набирают следующую подачу; при этом перед каждым опусканием малого конуса он с воронкой поворачивается на 120° от исходного положения. При наборе последующей подачи угол поворота составляет 180° и т.д.

Благодаря такому вращению распределителя подачи попадают не в одно место под наклонным мостом 9, а сравнительно равномерно распределяются по периферии колошника.

В процессе загрузки конусы работают поочередно: когда один опущен, другой поднят (закрыт), что обеспечивает герметичность печи.

После опускания малого конуса в межконусном пространстве создается давление, соответствующее атмосферному, а большой конус находится под давлением газов в печи, что препятствует его опусканию. После же опускания большого конуса, в межконусном пространстве создается давление, равное давлению газов в печи, что препятствует открытию малого конуса.

Для выравнивания давления в межконусном пространстве и печи подают чистый газ в межконусное пространство под давлением, близким к давлению газов в печи. Это делают перед опусканием большого конуса при помощи уравнительных клапанов, а при опускании малого конуса сбрасывающий клапан выпускает газ из межконусного пространства в атмосферу. Работа уравнительных клапанов автоматизирована и сблокирована с работой конусов засыпного аппарата.

Слабым местом аппарата являются стыки конусов с соответствующими воронками. Здесь в связи с повышенным давлением в печи просачивается доменный газ и содержащаяся в нем пыль вызывает абразивный износ металла. Поэтому стойкость конусов низкая, малый; конус заменяют почти через каждые полгода, а большой через 1,5…2,5 г.

Среди ряда бесконусных загрузочных устройств хорошо зарекомендовала себя конструкция фирмы “Поль Вюрт” (Люксембург). Схема подобного устройства показана на рис. 25, б.

Его основные элементы:

• передвижная приемная воронка 2 с затвором 3 внизу;
• два накопительных шлюзовых бункера 5;
• центральная течка (труба) 8;
• отсечная задвижка 9;
• вращающийся лоток 11 с механизмами 10, обеспечивающими вращение лотка вокруг вертикальной оси и изменение угла его наклона.

Шлюзовые бункеры 5 объемом 50…80 м 3 оборудованы верхним 4, нижним 7 газоотсекающими клапанами и шихтовым дозирующим затвором 6. Газоотсекающие клапаны обеспечивают герметичность печи, поскольку верхний клапан открывают при закрытом нижнем и наоборот. Отсечная задвижка 9 служит для герметизации печи при ремонтах загрузочного устройства.

Загрузку шихты производят следующим образом. Приемную воронку 2 устанавливают над пустым бункером 6, открывают верхний газоотсекающий клапан 4 при закрытых нижнем клапане 7 и затворе 6 бункера и, открыв затвор 3 воронки, начинают подачу шихты в бункер с конвейера 1 шихтоподачи; наполнив бункер, закрывают затвор воронки и верхний газоотсекающий клапан.

Для выгрузки шихты в печь открывают нижний газоотсекающий клапан и затем шихтовый затвор 6 бункера, при этом скорость высыпания материала из бункера определяется степенью раскрытия шихтового затвора. Высыпающийся из бункера материал через трубу 8 попадает на вращающийся лоток 11 и скатывается по нему в печь. После опорожнения бункера закрывают шихтовый затвор б и затем нижний газоотсекающий клапан 7. За время опорожнения бункера лоток совершает не менее 10 оборотов, при этом угол наклона лотка изменяют по заданной программе в пределах 7…53°, выгрузка длится 60…140 с.

Правый и левый бункеры 5 работают поочередно: когда наполняют один бункер, из другого материал выгружают в печь. Шихту с конвейера 1 направляют в тот или иной бункер, передвигая приемную воронку 2. Газоуплотнительные клапаны выполняют только функцию уплотнения, не соприкасаясь с шихтой, что увеличивает срок их службы.

При работе загрузочного устройства перед открытием газоотсекающих клапанов производят выравнивание давления в бункерах 5 с давлением в печи или с атмосферным. Чтобы предотвратить выброс из бункеров 5 запыленного доменного газа в атмосферу, на отечественных печах предусмотрена система пылеподавления, заключающаяся в том, что в бункер во время выгрузки из него шихты подают азот под давлением большим, чем давление газов в печи, и поэтому газы из печи в бункер и из него в атмосферу не попадают.

Недостатком устройства считают то, что сложный механизм вращения лотка расположен в куполе печи и для его охлаждения и защиты от горячих колошниковых газов требуется расходовать много (10…30 тыс.м 3 /ч) азота или очищенного охлажденного доменного газа; кроме этого раз в три-четыре месяца необходима кратковременная остановка печи для замены резиновых прокладок газоотсекающих клапанов.

Источник https://bestpechi.ru/domennaya-pech

Источник https://clubpechnikov.ru/domennaya-pech/

Источник https://metallolome.ru/domennaya-pech/