Для чего нужна доменная печь? конструкция доменной печи, принцип работы и устройство

Загрузочные устройства доменной печи

Доменные печи полезным объемом 1513 и 3200 м3 имеют суточную производительность соответственно 3000 и 6000 т чугуна и потребляют 6000 или 13000 т шихтовых материалов в сутки. Бесперебойная работа в таких масштабах возможна лишь при полной механизации загрузки.

Загрузочные и подъемные механизмы связаны между собой автоматической блокировкой, позволяющей управлять загрузкой одному человеку — машинисту вагона весов. Скиповая система (см. рис. 3) доставки шихты на колошник не позволяет достигнуть полной автоматизации, поэтому в настоящее время необходим переход на транспортерную систему, позволяющую загружать печь полностью автоматически по заданной программе.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды,
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла,
• бункерная эстакада,
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе),
• установка для вдувания пылеугольного топлива,
• утилизационная ТЭЦ,
• центр управления и административный корпус,
• литейный двор,
• домна,
• воздухонагревательные блоки,
• насосная станция.

Производительность комплекса:

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Воздухонагреватели

Воздухонагреватели сооружаются при домнах с момента изобретения Э. А. Каупера, то есть с 1857 года. Воздухонагреватели имеют вид больших башен, расположенных рядом с домной. Из домны по трубе — газоотводу — в воздухонагреватель поступает горячий колошниковый газ, который в специальной камере внутри воздухонагревателя смешивается с поступающим по другой трубе воздухом и сгорает. Образующийся ещё более горячий газ проходит через насадку — сложенную из кирпичей колонну с зазором между ними для прохода газа. Этот газ нагревает насадку и выводится из воздухонагревателя через третью трубу. Когда насадка нагреется до необходимой температуры, в воздухонагреватель пускают обычный, ненагретый, воздух, который, проходя через насадку, нагревается до температуры свыше 1000 °С и далее идёт в домну для выплавки чугуна. Насадка при этом постепенно охлаждается, и когда она достаточно охладится, её снова разогревают сжиганием колошникового газа. Отсюда видно, что процесс нагрева воздуха для домны не является непрерывным, а поскольку выплавка чугуна в домне идёт постоянно, при ней сооружают несколько воздухонагревателей — пока один из них работает на нагрев насадки колошниковым газом из домны, другой работает на нагрев насадкой воздуха для домны.

Литература и источники

• Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 15. — 257 с.
• Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время: Энциклопедия. — М.: Издательский Дом МИСиС, 2014. — Т. 6. Металлургия и социум. Взаимное влияние и развитие. — 224 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-760-6.
• Толковый металлургический словарь. Основные термины / Под ред. В. И. Куманина. — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6.
• Ефименко Г. Г., Гиммельфарб А. А., Левченко В. Е. Металлургия чугуна. — Киев.:Выща школа, 1988. — 352 с.
• Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — М.: Детгиз, 1954. — 486 с.
• Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — М.: Металлургия, 1980. — 303 с.
• Товаровский И. Г. Доменная плавка. 2-е издание.- Днепропетровск: «Пороги», 2009.-768 с.
• Андронов В. Н. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья. Доменный процесс. — Донецк: Норд-Пресс, 2009.-377 с. — ISBN 978-966-380-329-6.
• Г. Н. Еланский, Б. В. Линчевский, А. А. Кальменев Основы производства и обработки металлов. Москва 2005 г.

I. Доменная печь.

Доменная печь — шахтная печь для выплавки различных сортов чугуна; в ней рабочее пространство вытянуто в высоту; перемешанные топливо и обрабатываемые материалы опускаются навстречу подымающимся газам. Исходные материалы доменной плавки — руду, флюс и топливо — загружают в верхнюю часть печи, называемую колошником; воздух, необходимый для горения топлива, подается в нижнюю цилиндрическую часть, называемую горном, через охлаждаемые водой коробки — фурмы. Сгоревшее у фурм топливо образует горячие газы, которые, поднимаясь снизу вверх, с одной стороны, нагревают до расплавления опускающиеся сверху вниз материалы, с другой — восстанавливают часть железа из руды; газы уходят через колошник печи. Остальная часть железа руды и другие элементы восстанавливаются твердым углеродом топлива и образуют с углеродом, поглощаемым железом, чугун. Чугун и шлак, получающийся от сплавления пустой породы руды, флюса и золы топлива, стекают в нижнюю часть горна печи, образуя два слоя: нижний — чугун и верхний — шлак; и тот и другой выпускаются через особые отверстия — летки. Выше горна находится коническая расширяющаяся вверх часть печи — заплечики, а далее коническая суживающаяся кверху часть — шахта, имеющая часто внизу цилиндрическую форму. Самое широкое место рабочего пространства печи на границе заплечиков и шахты называется распаром.

Конструкция отдельных частей печи и ее вспомогательных устройств преследует две цели: создать правильное распределение материалов и газов по поперечному сечению печи и всемерно уменьшить обязательные и вынужденные остановки в работе печи. Для этого печь должна иметь рациональный профиль (т. е. внутреннее очертание вертикального сечения печи по ее оси) и возможно простые, а главное, надежные и выносливые в работе, отдельные части самой печи и вспомогательных устройств. Величина первоначальных затрат играет в данном случае совершенно подчиненную роль.

Размеры коксовых и древесноугольных печей. В настоящее время доменные печи работают гл. обр. на коксе и лишь отчасти на древесном угле (из коксовых печей получается 99% всей мировой добычи чугуна, а из древесноугольных — только около 1%). Различие между коксовыми и древесноугольными печами заключается гл. обр. в их величине. Коксовые печи, при горючем —  коксе — более прочном (сопротивление раздавливанию равно 100—180 кг/см2) и менее растирающемся и размельчающемся при движении шихты в печи, чем древесный уголь (сопротивление раздавливанию равно 30—40 кг/см2 поперек волокон при хорошем выжиге и 5—8 кг/см2 при плохом выжиге), имеют полезную высоту большую, чем древесноугольные; так, при лучшем дургамском (Англия) и коннельсвильском (Америка) коксе полезная высота печей (расстояние от уровня материалов на колошнике до низа выпускного для чугуна отверстия) 25—27 м; при лучшем коксе Донбасса – 23—25 м, а при слабом – 20—23 м; при лучшем сметничном древесном угле — 18 м, при обыкновенном – 15 м. Суточная производительность больших древесноугольных печей равна всего 50—100 т, коксовых же 300—600 и даже 1000 т.

Получение

Доменная печь изготовлена из восьми двойных листов кованого железа и тигля.

Строительствоправить

Высота доменной печи определяет количество руды, флюса и древесного угля, которые она может содержать, и, следовательно, максимальное количество руды, которое может быть расплавлено за один раз. Маленькая доменная печь имеет один блок высоты и требует минимум 4 огнеупорных кирпичных блока и 12 листов кованого железа. По величине максимальная доменная печь может иметь 5 блоков в высоту, и требует 20 огнеупорных кирпичных блоков и 60 листов кованого железа:

Доменная печь минимального размера строится следующим образом:

Слой 3:

• Огнеупорные кирпичи: в двух блоках над землей создайте «трубу», окружив центральный воздушный блок со всех четырех сторон.
• Металлические листы: Поместите листы кованого железа или металлические листы из металла более высокого уровня по бокам дымохода. Примечание: листы не должны быть размещены сверху или снизу.

Слой 1:

Тигель: поместите тигель на землю под центральным воздушным блоком.

Слой 2:

Блок доменной печи: Поместите блок доменной печи между дымоходом и тиглем (⇧ Shift+ПКМ) под центральным воздушным блоком.

• Меха: Разместите Меха стороне блока доменной печи, убедившись, что сторона с отверстием обращена к доменной печи.
• Завершение: Поместите фурму в доменную печь.
• Расширение: доменные печи могут увеличить общую емкость хранилища, добавив до четырех дополнительных слоев к существующей конструкции. Чтобы расширить доменную печь, просто добавьте дополнительный слой к дымоходу.

Применениеправить

Используется для выплавки чугуна. Для этого необходима фурма (положить в инвентарь доменной печи). Процесс выплавки следующий:

Сверху закинуть внутрь структуры равное количество древесного угля, флюса и железной руды (Лимонит, гематит или магнетит). На первом уровне структуры макс. вместимость 4, а каждый последующий уровень также увеличивает вместимость на 4. Структура максимального (5) уровня имеет вместимость на 20.

Важно: в процессе плавления руды древесный уголь будет потребляться, поэтому периодически его придется подкидывать. Можно подкинуть уголь заранее, тогда он будет потребляться по мере необходимости

Оптимальное количество — 3 штуки (проверено для структуры уровня 1-3).

• Поджечь главный блок доменной печи при помощи воспламенителя или огнива. Текстура блока поменяется на «горящую».

  Работающая доменная печь

• Домна должна нагреться до температуры «белеет до блеска». Для этого необходимо использовать меха (ПКМ по ним).

Внимание: если угля станет слишком мало, то домна просто остынет и весь процесс придется начинать заново! Допустима нехватка 1 (2 при неполной загрузке печи) ед. угля к моменту достижения нужной температуры

• По достижении необходимой температуры и при наличии фурмы, доменная печь начнет сливать расплавленный чугун в тигель под собой, при этом будет тратиться прочность фурмы (из расчета 1 кусок руды = 1 ед. прочности)
• Забрать чугун из тигля можно с помощью глиняных форм

Описание и процессы

Устройство доменной печи

1

Горячее дутьё

2

Зона плавления (заплечики и горн)

3

Зона восстановления FeO (распар)

4

Зона восстановления Fe₂O₃ (шахта)

5

Зона предварительного нагрева (колошник)

6

Загрузка железорудных материалов, известняка и кокса

7

Доменный газ

8

Столб железорудных материалов, известняка и кокса

9

Выпуск шлака

10

Выпуск жидкого чугуна

11

Сбор отходящих газов

Доменная печь представляет собой непрерывно действующий аппарат 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.

Схема доменного производства

1

железная руда + известняк

2

кокс

3

лента конвейера

4

колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу

5

слой кокса

6

слои известняка, оксида железа, руды

7

горячий воздух (с температурой около 1200 °C)

8

шлак

9

жидкий передельный чугун

10

шлаковый ковш

11

чугуновоз

12

циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах 13

13

регенераторы (кауперы)

14

дымовая труба

15

подача воздуха в регенераторы (кауперы)

16

порошок угля

17

коксовая печь

18

резервуар для кокса

19

газоотвод для горячего колошникового газа

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.

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.

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количество тепла.

C+O2=CO2+Q{\displaystyle \mathrm {C+O_{2}=CO_{2}+Q} }

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

CO2+C=2CO{\displaystyle \mathrm {CO_{2}+C=2\,CO} }

Поднимаясь вверх, монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2{\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3\,CO=2\,Fe+3\,CO_{2}} }

Полученное в результате реакции железо 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 летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в жёлобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в чугуновозные ковши, либо в ковши миксерного типа и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Автоматизация доменного производства

Основные направлениями автоматизации и контроля в доменном производстве:

• Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
• Загрузка шихтовых материалов.
• Состояние верхней зоны печи (колошника)
• Состояние шахты печи.
• Параметры комбинированного дутья.
• Состояние нижней зоны печи (горна)
• Технико-экономические показатели плавки.
• Воздухонагреватели

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

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

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

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

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

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.

Устройство и принцип работы

Доменная печь представляет собой вертикальную конструкцию шахтного типа, напоминающую конус, расширяющийся книзу. Высота печи может достигать 70 м, рабочий объём — 2700 м³. Суточная производительность домны таких размеров достигает 5000 т чугуна. Основной особенностью работы доменных печей является непрерывность процесса. Работа ведётся круглосуточно и не прекращается до момента капитального ремонта или демонтажа печи, что может занимать период от 3 до 15 лет. Если работу остановить и оставить печь без топлива, произойдёт так называемое «закозление», застывание материалов, находящихся внутри. Запустить вновь печь, остановленную нештатным способом, невозможно. Такая специфика заставляет специалистов постоянно заботиться о соблюдении режима работы установки, но и позволяет получить максимальную производительность.

Материалы, необходимые для реализации доменного процесса:

• Каменноугольный кокс (топливо);
• Железная руда (агломерат, окатыши);
• Флюс (песок, известняк и другие необходимые материалы, организующие подъём шлаков вверх).

Месторождений железной руды, качество которой позволяет без предварительной обработки использовать её в процессе плавки, в мире осталось очень мало. Поэтому в большинстве случаев используется специально подготовленное сырьё — агломерат или окатыши, представляющие собой комки обогащённого рудного материала. Они имеют форму округлых гранул (окатыши) или частиц неправильной формы (агломерат) размером 2–5 см.

Схема устройства доменной печи

Конструкция печи представляет собой массивную вертикальную башню, изнутри выложенную шамотным (огнеупорным) кирпичом. Она установлена на прочном фундаменте, поднятом над нулевым уровнем на определённую высоту. Верхняя, жароустойчивая часть основания называется пнём. Верхушка фундамента имеет горизонтальную площадку — лещадь, которая принимает на себя все динамические и температурные нагрузки, в связи с чем имеет водяное охлаждение. Печь снаружи защищена прочным металлическим кожухом, толщина которого составляет 4–6 см.

Внутренняя часть печи представляет собой конусообразную башню, состоящую из нескольких участков:

• Колошник. Верхний отдел башни, где производится загрузка шихты и выводятся колошниковые газы.
• Шахта (или тахта). Конусообразная часть башни, понемногу расширяющаяся книзу.
• Распар. Самая широкая (средняя) часть башни, в которой происходит начало процессов шлакообразования и плавления сырья. Температура в этом участке составляет от 1400°.
• Заплечики. Относительно короткий участок в виде конуса, сужающегося в нижней части. В нём происходит окончательное плавление металла. Температура в этом участке составляет 1600–1900°.
• Горн. Нижняя часть башни, где расположены отверстия для подачи воздуха (фурмы). Там же располагаются чугунная и шлаковая летки (отверстия для выпуска чугуна и шлака). Днище горна — это верхняя часть фундамента (лещадь).

С помощью засыпного аппарата в колошник подаются шихта и флюс. По мере расплава и вывода чугуна и шлака материалы опускаются вниз, а их место занимают новые порции. Газы, образующиеся во время протекания химических процессов, выводятся посредством трубопроводов, размещённых в колошниковой части башни. Они имеют высокую температуру и используются для нагрева свежего потока, поступающего в домну для наддува. Нагрев производится в кауперах — установках, осуществляющих забор свежего воздуха, нагрев в теплообменных устройствах и подачу горячего воздуха в печь.