Устройство доменной печи: что это такое, устройство, принцип работы, изготовление своими руками

alexxlab | 03.07.2023 | 0 | Разное

13. Доменная печь, ее устройство и работа.

Доменная печьявляется шахт­ной печью, которую выкладывают в стальном корпусе шамотным кирпичом. У доменной печи выделяют (рис. 7, а) колошник, шахту, распар, заплечики и горн. Черезколошниковый затвор в доменную печь загружают шихту.Шахта имеет форму усеченного кону­са, расширяющегося книзу, что способствует свободному опу­сканию шихты по мере плав­ления. На уровнераспара изаплечиковобразуется губча­тое железо, которое затем на­углероживается, плавится и стекает в горн. Заплечики от распара суживаются к горну, поэтому твердая шихта удер­живается в распаре и шахте.

В горне на лещади6 нака­пливается жидкий чугун. Его плотность 6,9 г/см3, а плот­ность шлака около 2,5 г/см3, поэтому над чугуном находит­ся слой шлака. Накопившийся шлак периодически выпускают черезлетку5,Рис. 7

а чугун – через летку1.

Окислительное дутье для горения топлива подается через фурмы4 под давлением до 500 кПа; оно предварительно нагревается в регене­ративных печах – воздухонагревателях. Эти же фурмы используют для подачи в печь природного газа и других топливных добавок (мазута, пылевидного топлива). На колошнике находитсязасыпной аппарат3 игазоотвод 2 для доменного (колошникового) газа. Глав­ной характеристикой печи является ее полезный объем – внутрен­ний объем, исчисленный по полезной высоте печи.

Доменный процесс.В печи непрерывно движутся: сверху вниз – поток шихты, снизу вверх – поток газов, образующихся при горе­нии топлива и реакциях с составляющими шихты. Сущность домен­ной плавки состоит в восстановлении железа из оксидов в руде, науглероживании железа и ошлаковании пустой породы и золы топлива.

Восстановление оксидов и образование чугуна начинается с вос­становления оксидов железа монооксидом углерода в средней части шахты.

При опускании шихты к распару эти реакции развиваются и протекают быстрее:

3Fе2О3+ СО = 2Fе3О4+ СО2+dН;

Fе3О4+ СО = ЗFеО + СО2-dН;

FеО + СО =Fе + СO2+dН.

Науглероживание железа начинается в шахте вслед за его вос­становлением с образованием карбида железа по реакции:

3Fе + 2СО =Fе3С + СО2.

В производстве стали широко используют кислородно-конвертерные процессы. Стационарный конвертер (рис. 8) имеет два бандажа 4, каждый из которых опирается на два ролика 1. Горловина конвертера имеет симметричную форму. Внутри стального кожуха конвертеры вы­кладываются смолодоломитовым кирпичом.

Летка 3 предназначена для слива готовой стали.

Вместимость кислородных конвертеров от 50 до 400 т. Сущность кислородно-конвертерного процесса заклю­чается в том, что загруженную в конвертер шихту про­дувают сверху струей кислорода под давлением до 1,5 МПа. Большое давление кислорода обеспечивает хо­рошее перемешивание металла. В начале продувки окис­ляются кремний, марганец и другие элементы, которые переходят в шлак. После первого периода продувки кисло­родом (длится 16 мин), фурму подни­мают, наклоняют конвер­тер, сливают шлак и берут пробу металла. В конвер­тер добавляют известь, ставят его вновь в верти­кальное положение, вво­дят фурму и начинают второй период продувы кислородом. Во второй пе­риод продувки продолжа­ются реакции окисления примесей, выгорает угле­род, идут реакции шлако­образования и другие физико-химические процессы. В конце второго периода продувки в конвертер вводят часть раскислителей. После удаления

Рис. 8

фурмы конвертер наклоняют, берут контрольную пробу стали и выпускают сталь в разливоч­ный ковш, где завершается процесс ее раскисления фер­ромарганцем, ферросилицием или комплексными раскислителями.

Общая продолжитель­ность составляет 40…60 мин, а продолжительность продувки кислородом — 18…30 мин. Преимущества: хорошее качество, высокая производительность и меньшая себестоимость. Недостат­ок: боль­шой угар металла (6…9%).

9. Конструкция доменной печи и технология выплавки чугуна

Устройство и работа доменной печи. Рабочее пространство печи включает колошник 6,

шахту 5, распар 4, заплечики 3, горн 1, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат 8, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши).

Стенки печи выкладывают из огнеупорных материалов — в ос­новном из шамота. Нижнюю часть горна и его основание (лещадь) выполняют из особо огнеупорных материалов — углеродистых (графитизированных) блоков. Для повышения стойкости огнеупорной кладки в ней устанавливают (примерно на 3Д высоты печи) металлические холодильники, по которым циркулирует вода. Для уменьшения расхода воды (для крупных печей расход воды до 70000 м3 в сутки) применяют испарительное охлаждение, основанное на том, что погло­щаемое тепло используется для парообразования.

Кладка печи снаружи заключена в стальной кожух толщиной до 40 мм. Для уменьшения нагрузки на нижнюю часть печи ее верхнюю часть (шахту) сооружают на стальном кольце, опирающемся на ко­лонны.

Доменная печь (рис. 4) имеет стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным шамотным кирпичом.

Схема работы доменного цеха современного металлургического за­вода приведена на рис. 5.

Шихтовые материалы поступают в бункера, расположенные на рудном дворе: офлюсованный агломерат- с агломерационной фабрики, а кокс – от коксовых батарей коксохимического завода. Из бункеров шихтовые материалы подаются в вагон-весы 1, на которых взвешивают определенные порции шихты. Из вагона-весов кокс и агломерат передаются в вагонетку 3 скипового подъемника. Скиповой подъ­емник представляет собой наклонный рельсовый мост, по которому дви­жутся две вагонетки. Скип поднимается стальным канатом до верхней точки рельсового моста и опрокидывается. Через загрузочное устройст­во (засыпной аппарат)

4 шихта попадает в доменную печь (см. рис.5). Печь состоит из колошника 5, шахты б, распара 7, заплечиков 8 и горна 9.

Рис. 4. Схема конструкций доменной печи и воздухонагревателя

Две скиповые вагонетки с помощью лебедки передвигаются по наклонному мосту 12 (см. рис. 4) к засыпному аппарату 8 и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку 7 распределителя шихты. При опускании малого конуса 10 засыпного аппарата шихта попадает в чашу 11 а при опускании большого конуса 13 – в доменную печь. Такая последовательность работы механизмов засыпного аппарата необходима для предотвращения выхода газов из доменной печи в атмосферу.

Для равномерного распределения шихты в доменной печи малый конус и приемная воронка после загрузки очередной порции материалов поворачиваются на угол, кратный 60°.

Все механизмы засыпного аппарата и скипового подъемника Агломерат, руду, флюс и кокс, поступающие в печь в определенном соотношении, называют шихтой.

Доменные печи, как и все шахтные печи, работают по принципу противотока. Сверху опускаются шихтовые материалы, а снизу им навстречу движутся газы, образующиеся в процессе горения топлива.

В процессе работы печи шихтовые материалы постепенно опускаются вниз, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихтовых материалов в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен.

Полезный объем печи – это объем, занимаемый шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата в опущенном состоянии (или до кончика загрузочного лотка в вертикальном его положении – при лотковом загрузочном устройстве). Современные доменные печи имеют полезный объем 1600…5000 м

3. Средний объем печей в Украине – около 2000 м3 и только ДП №9 Криворожстали имеет объем 5000 м3. Высота доменной печи достигает 50 м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства 14, через которые (воздушные фурмы) в печь поступают нагретый воздух, необходимый для горения кокса, и газообразное топливо, а также (в последние годы) – пылеугольное топливо.

1

2

3

Фурменный прибор ДП:

1 – кольцевой воздухопровод горячего дутья; 2 – сопло; 3 – воздушная фурма

Предварительный нагрев воздуха необходим для уменьшения потерь теплоты в печи. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. Для нагрева воздуха применяют воздухонагреватели регенеративного типа. Внутри воздухонагревателя (рис. 4, справа) имеется камера сгорания 2 и насадка 4 занимающая основной объем воздухонагревателя.

Насадка выложена из огнеупорных кирпичей 3 так, что между ними образуются вертикальные каналы. В нижнюю часть камеры сгорания к горелке 1 подается очищенный от пыли колошниковый газ, который сгорает и образует горячие газы. Горячие газы, проходя через насадку, нагревают ее и удаляются из воздухонагревателя через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается, и по трубопроводу через насадку пропускается холодный воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Доменная печь имеет несколько воздухо­нагревателей: в то время как в одних насадка нагревается горя­чими газами, в других она отдает теплоту холодному воздуху, нагревая его. По охлаждении нагретой насадки воздухом нагреватели переключаются. Воздух, проходя через насадку воздухонагревателя, нагревается до 1000…1200 °С и поступает к фурменному устройству 14 доменной печи (см. рис. II.2), а оттуда в ее рабочее пространство.

Горение топлива. Вблизи фурм 3 (см. рис.) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха, сгорает:

С + О2 = СО2 + 393,51 кДж.

При высоких температурах и в присутствии твердого углерода кокса двуокись углерода неустойчива и переходит, в основном, в окись углерода:

СО2 + С = 2СО – 171,88 кДж.

Одновременно, на некотором расстоянии от фурм, идет реакция неполного горения (газификации) углерода кокса:

С – 1/2О2 = СО + 110,5 к Дж.

В результате горения кокса в доменной печи выделяется тепло и образуется газовый поток, содержащий СО, СО2 и другие газы. При этом в печи немного выше уровня фурм температура достигает 2000° С и даже более. Горячие газы, поднимаясь вверх, отдают свою теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до 400…300 °С у колошника. В зоне печи, где температура газов достигает 700 … 450 °С, часть окиси углерода разлагается с образованием сажистого углерода, оседающего на шихтовых материалах:

2СО = СО2 + С ↓

Остальная часть газа, состоящего в основном из СО, СО2, N2, Н2, СН4 (колошниковый газ), отводится из печи по трубам и после очистки используется как топливо для воздухонагревателей.

Выход колошникового (доменного) газа составляет обычно 2000…2500 м3/т чугуна. Газ имеет следующий состав:

СО – 20…30%

СО2 – 12…20%

Н2 – 1…4%

О2 + N2 – 54…58%

СН4 – до 0,5%

Шихтовые материалы (агломерат, кокс) опускаются навстречу потоку газов и нагреваются. В результате в них происходит целый ряд химических превращений: удаляется влага, из топлива выделяются летучие вещества, а при прогреве шихты до температуры ~ 570 °С начинается основной процесс – восстановление окислов железа, содержащихся в агломерате и окатышах.

Восстановление окислов железа в доменной печи. Этот процесс протекает в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом. Восстановление твердым углеродом называют прямым, а газами – косвенным.

При температурах до 570 °С восстановление окиси железа протекает по реакциям

3Fe2О3 + СО = 2Fе3О4 + СО2;

Fе3О4 + 4СО = 3Fе + 4СО2.

При более высоких температурах (750…900 °С) окислы железа восстанавливаются наиболее интенсивно:

3Fе2О3 + СО = 2Fе3О4 + СО2;

Fе3О4 + СО = 3FеО + СО2;

FeО+СО = Fе + СО2.

При этих температурах из руды, находящейся в нижней зоне шахты доменной печи, образуется твердое губчатое железо. Некоторая часть закиси железа опускается до уровня распара и заплечиков, где восстанавливается твердым углеродом кокса в результате двух одновременно протекающих реакций:

СО2 + С = 2СО;

FеО + СО = Fе + СО2

FеО + C = Fe + CO

В реакциях восстановления железа участвуют также сажистый углерод и водород, особенно при введении в доменную печь природного газа.

По мере опускания шихта достигает зоны в печи, где температура составляет 1000 … 1100 °С. При этих температурах восстановленное из руды твердое железо, взаимодействуя с окисью углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно науглероживается благодаря способности железа в твердом состоянии растворять углерод:

3Fе + 2СО = Fе3С + СО2;

3Fe + С = Fе3С.

При насыщении углеродом температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, дополнительно насыщаются углеродом (до 4 % и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе. Эти процессы протекают следую­щим образом.

Марганец содержится в руде в виде МnО2, Мn2О3, Мп3О4. Эти соединения легко восстанавливаются до МnО. При температуре более 1000 °С часть МnО восстанавливается твердым углеродом по реакциям

МnО + СО = Мn + СО2;

СО2 + С=2СО

МnО + С = Мn + СО

Одновременно марганец взаимодействует с твердым углеродом и образует карбид Мn3С, повышая содержание углерода в сплаве. Другая часть МnО входит в состав шлака.

Кремний, содержащийся в пустой породе руды в виде SiO2, при температуре выше 1100 0С также частично восстанавливается твердым углеродом:

SiO2 + С = SiO + СО;

SiO + С = Si + СО

SiO2 + 2С = Si + 2СО

Образовавшийся кремний растворяется в железе. Другая часть SiO2 также входит в состав шлака.

Фосфор содержится в рудо в виде соединений (FеО)3Р2О5 и (СаО)3Р2О5. Частично фосфат железа восстанавливается окисью углерода:

2Fе3 (РО4)2 + 16СО = 2Fе3Р + 2Р + 16СО2.

При температурах более 1000° С восстановление идет за счет твердого углерода:

2Fе3(РО4)2 + 16С = 3Fе3Р + 2Р + 16СО.

При температурах выше 1300 °С фосфор восстанавливается из фосфата кальция:

(СаО)3Р2О5 + 5С = ЗСаО + 2Р + 5СО.

Образовавшийся фосфид железа (Fе3Р) и фосфор полностью растворяются в железе и входят в состав чугуна.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS2, FеS, СаSО4. Сера летуча и поэтому часть ее удаляется с газом при нагреве шихты в печи. Сера из кокса окисляется у фурм кислородом дутья до SО2 и, поднимаясь с газами, восстанавливается твердым углеродом:

SО2 + 2С = S + 2СО.

При этом часть серы в виде S и FеS растворяется в чугуне. Сера является вредной примесью и ухудшает качество чугуна. Для удаления серы стремятся повысить содержание СаО в шлаке. При этом часть серы в виде СаS удаляется в шлак по реакциям

FеS + СаО = СаS + FеО,

FеО + С = Fе + СО.

Таким образом, в результате процессов восстановления окислов железа, части окислов марганца и кремния, фосфатов и сер­нистых соединений, растворения в железе С, Мn, Si, Р, S в печи образуется чугун. В нижней части печи образуется шлак в ре­зультате плавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива. В условиях доменного процесса окислы Аl2О3, СаО, МgО, содержащиеся в пустой породе руды, полностью переходят в шлак. В шлаке содержится также часть невосстановившихся окислов SiO2, МnО, FеО и СаS. Шлак образуется постепенно, его состав изменяется по мере cтекания в горн; где он скапливается, находясь над жидким чугуном, т. к. имеет меньшую плотность. Состав шлака, его температура плавления и жидкотекучесть зависят от состава применяющихся шихтовых материалов (в первую очередь – основности) и марки выплавляемого чугуна.

По мере скопления чугуна и шлака их выпускают из печи с периодичностью каждые 2 … 3 … 4 ч (зависит от объема/производительности печи). Выпуск производят через чугунную летку (см. рис., отверстие в кладке, расположенное выше лещади). Летку открывают бурильной машиной, а после выпуска чугуна закрывают огнеупорной массой с помощью гидравлической «пушки».

Образцы доменного шлака («основной» /с повышенным содержанием СаО / – слева; и кислый, с повышенным содержанием SiO2 – справа)

Чугун и шлак сливают по желобам, проложенным по литейному двору, в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши, установленные на железнодорожных платформах. Емкость чугуновозных ковшей 90…140 т. В них чугун транспортируют в миксерное отделение (миксер для усреднения), в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, поступает на разливеочные машины. Из ковша чугун через передаточный желоб заполняет металлические формы-изложницы разливочной машины и затвердевает в них в виде чушек-слитков массой до 50 кг.

Часто жидкий шлак из доменной печи не сливают в шлаковозные чаши, а для удобства дальнейшего использования подвергают мокрой грануляции: на него направляют струю воды, сод действием которой он рассыпается на мелкие гранулы.

Структурная схема доменного процесса

Доменное оборудование | HeatTreatConsortium.com

Доменная печь: оборудование

Доменная печь с основной доменной печью, литейным двором и конвейерной системой загрузки.
Предоставлено Mannesmann-Demag.

Оборудование
Технология сжигания
Потребление энергии
Описание процесса
Тенденции НИОКР

Доменные печи представляют собой большие сложные системы, состоящие из комбинации стандартного оборудования и изготовленных на заказ компонентов. Крупнейшие компоненты собственно доменной печи включают в себя кожух печи, внутреннюю огнеупорную футеровку печи и горн в виде тигля. Большая часть автономного оборудования, такого как двигатели, горелки и т. д., связана со следующим:

  • Сборка и транспортировка сырья
  • Транспортировка чугуна и шлака
  • Очистка отходящих газов
  • Воздухонагреватели

Хотя все оборудование, используемое в вышеуказанных операциях, может представлять интерес, здесь основное внимание уделяется оборудованию и компонентам, характерным для доменной печи.

Скиповые вагонетки (конвейеры) – Скиповые вагонетки, а в некоторых установках и конвейеры используются для подачи доменной шихты в верхнюю часть печи.

Бош – Бош представляет собой перевернутое коническое сечение, в котором начинается плавка.

Приемный бункер – Шихта доменной печи загружается в приемный бункер, который, в свою очередь, доставляет шихту к вращающемуся распределителю. Вращающийся распределитель помогает обеспечить равномерное распределение шихты в штабеле печи.

Очаг. Очаг представляет собой сложно сконструированный сосуд, похожий на тигель, на котором находится вертикальная часть шахты печи. Весь расплавленный металл и шлак собираются в горне перед сливом.
Колокола (большие и малые) – большие и малые колокола представляют собой устройства конической формы, образующие газонепроницаемый запорный бункер. Бункер предотвращает утечку газа из печи во время ее загрузки.

Труба для дутья – Труба для дутья окружает доменную печь и подает воздух горячего дутья из линии горячего дутья в печь.
Стопка — Стек — это верхняя часть печи, где предварительно нагревается шихта.

Инжекционная трубка – Инъекционная трубка вставляется в паяльную трубку, ведущую к фурмам. Дополнительное топливо подается в топку через инжекционную фурму.

Чугунные и шлаковые желоба. Расплавленный металл удаляется из горна через чугунные желоба. Металл помещают в перегрузочные ковши, а шлак можно перекачивать в шлаководы, отводить в сухие амбары для затвердевания или гранулировать струей воды и смывать в колодезный колодец.

Фурмы – Воздух горячего дутья подается в топку через водоохлаждаемые отверстия, называемые фурмами. Фурмы расположены в верхней части горна.

 

Изготовление, формование и обработка стали, 10-е издание, Ассоциация инженеров черной металлургии, 1985.

КАРТЭКС – Доменное оборудование

УЗТМ-КАРТЭКС – Доменное оборудование