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

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.

Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска такого большого количества материалов необходимо, чтобы конструкция печи была проста и надежна в работе в течение длительного времени. Доменная печь снаружи заключена в металлический кожух, сваренный из стальных листов толщиной 25 – 40 мм. С внутренней стороны кожуха находится огнеупорная футеровка, охлаждаемая в нижней части печи с помощью закладываемых специальных холодильников – металлических коробок, внутри которых циркулирует вода. В связи с тем, что для охлаждения печи требуется большое количество воды, на некоторых печах применяют испарительное охлаждение, сущность которого состоит в том, что в холодильники подают воды в несколько раз меньше, чем при обычном способе. Вода нагревается до кипения и интенсивно испаряется, поглощая при этом большое количество тепла.

Внутреннее очертание вертикального разреза доменной печи называют профилем печи. Рабочее пространство печи включает:

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

Колошник

Это верхняя часть доменной печи, через которую осуществляется загрузка шихтовых материалов и отвод доменного или колошникового газа. Основной частью колошникового устройства является засыпной аппарат. На большинстве доменных печей установлены двухконусные загрузочные устройства. В обычном положении оба конуса закрыты и надежно изолируют внутреннее пространство печи от атмосферы. После загрузки шихты в приемную воронку малый конус опускается и шихта падает на большой конус. Малый конус закрывается. После того, как на большом конусе будет набрано заданное количество шихты, большой конус опускается при закрытом малом конусе и шихта высыпается в печь. После этого большой конус закрывается. Таким образом, рабочее пространство доменной печи постоянно герметизировано.

Шихтовые материалы обычно подаются на колошник печи с одной стороны. В результате, в воронке малого конуса образуется откос. Длительная Работа доменной печи с перекосом уровня шихты недопустима. Для устранения этого явления приемная воронка и малый конус сделаны вращающимися. После загрузки шихты воронка вместе с конусом поворачивается на угол кратный 60, благодаря чему после разгрузки нескольких подач неравномерность полностью устраняется. 0

На современных печах могут устанавливаться более сложные по конструкции засыпные аппараты. Вместо большого конуса устанавливается вращающийся желоб, угол наклона которого может регулироваться. Такая конструкция позволяет изменять место подачи материалов по диаметру колошника.

В процессе доменной плавки образуется большое количество газа, который отводится из колошниковой части печи. Такой газ называют колошниковым. Газ содержит горючие составляющие СO и Н2 и, поэтому, используется как газообразное топливо в металлургическом производстве. Кроме того, проходя через столб шихты, газ захватывает мелкие частицы железосодержащих материалов, образуя так называемую колошниковую пыль. Пыль улавливается в специальных газоочистителях и используется как добавка к шихте при агломерации или получении окатышей.

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.

Горн

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью.

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм	Полезный объем печи, м3
	2000	3000	5000
Диаметр:
горна	9750	11700	14900
распара	10900	12900	16300
колошника	7300	8200	11200
Высота:
полная	32350	34650	36900
полезная	29200	32200	32200
горна	3600	3900	4500
шахты	18200	20100	19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

• плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
• выгодное распределение встречного газового потока;
• благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.

История

Необходимость совершенствования технологии выплавки железа возникла давно. Легкоплавкие руды, расположенные практически на поверхности земли, не отличались большими объёмами и быстро были израсходованы. Существующая методика выплавки была несостоятельна и не позволяла работать с тугоплавкими рудами. Появилась необходимость в усовершенствовании существующего оборудования и технологии. В первую очередь требовалось увеличить размеры печей и значительно усилить режим наддува.

Первые упоминания о конструкциях, аналогичных доменным печам, обнаружены в Китае. Они относятся к IV веку. В Европе появление доменных печей относят к XV веку, до этого использовались так называемые сыродутные печи. Непосредственным предшественником домны являлся каталонский горн, который использовал технологические приёмы, близкие к методике доменного производства. Его отличительными чертами были:

• Непрерывный процесс подачи шихты;
• Использование мощных установок подачи воздуха с гидравлическим приводом.

Доменная печь XIV века

Объём каталонского горна составлял всего 1 м³, что не позволяло получать больших объёмов продукции. В XIII веке в европейском княжестве Штирия был создан штукофен, увеличенный и усовершенствованный вариант каталонского горна. Он имел около 3,5 м в высоту и два технологических отверстия — нижнее для подачи воздуха, верхнее для извлечения крицы (сыродутного железа). Штукофен выдавал три вида железных полуфабрикатов:

• Сталь;
• Ковкое железо;
• Чугун.

Разница между ними заключалась в содержании углерода — больше всего его было в чугуне (больше 1,7%), в стали его было меньше 1,7%, а в ковком железе содержание составляло 0,04%. Высокий уровень содержания углерода оценивался негативно, так как чугун нельзя ковать, сваривать, из него сложно изготавливать оружие.

Это важно! Первоначально чугун был отнесён к отходам производства, так как не поддавался ковке. Отношение к нему изменилось только после начала вторичной переплавки, которое стали делать из-за нехватки легкоплавких руд. Передельное железо, полученное из чугуна, имело более высокое качество, что послужило стимулом к расширению переделочного процесса.

Дальнейшее наращивание мощностей и совершенствование технологии послужили толчком к возникновению блауфена, имевшего высоту уже около 5–6 м, способного к выплавке чугуна и железа одновременно. Он уже практически являлся доменной печью, хоть и несколько уменьшенной, упрощённой конструкции. Утвердился двухступенчатый процесс, когда первой стадией было получение чугуна, а второй — выплавка из него железа при усиленном наддуве.

Появление первых доменных печей в Европе относится к концу XV века. Почти сразу подобные конструкции появились в Англии, а в США первые домны созданы гораздо позже — в 1619 году. Первую домну в России на своей мануфактуре в Туле построил А. А. Виниус. Процесс состоял из следующих этапов:

1. Загрузка древесного угля и наддув.
2. Укладка чугунных чушек перед устьем, расплавление, сток чугуна вниз.
3. Потеря части углерода во время прохождения возле фурм.
4. Подача полученного железа к соплу, мощный наддув, при котором лишний углерод выгорал, а мягкое железо оседало на дне.

Железо извлекали со дна горна и проковывали, удаляя жидкий шлак, уплотняя чушки. При таком способе выход готового железа составлял около 92 % от изначального веса чугуна, а его качество значительно превышало показатели кричного продукта.

Серьёзной проблемой стал топливный кризис. Для плавления руды использовался древесный уголь, что привело к истреблению лесов. Проблема выросла до таких размеров, что в Англию ввозили металл из Европы, а позже — и из России в течение 2 веков. Оказалось, что лес растёт медленнее, чем горит. Попытки использования каменного угля показали, что в нём содержится большое количество серы, существенно снижающей качество металла. Было произведено множество опытов, не увенчавшихся успехом.

Это интересно! Решение было найдено только в 1735 году английским металлургом А. Дерби II, который нашёл способ превращения угля в кокс. С этого времени топливная проблема была преодолена, и процесс получил новый толчок к развитию.

Следующим революционным открытием стал нагрев воздуха, используемого для наддува. Он позволил заметно снизить расход каменного угля до 36 %. Появились специальные требования к сортности, качеству металла по содержанию марганца, кремния, фосфора. Технология и конструкция печей совершенствовались, дополнялись, понемногу приходя к современному виду.

Топливо для домны

Работает печь для изготовления чугуна на таком сырье как кокс, который происходит в специальных коксовых печах, где выплавляется чугун. Получают кокс из специального коксующего каменного угля. Как правило, на крупном металлургическом заводе, кокс вырабатывается в специальных коксохимических цехах, где в среднем находится по 50-70 печей или камер коксования. Все они объединяются в одну камеру.

Обогрев камеры осуществляется снаружи. Чтобы температура внутри полости печи сохранялась на уровне в 1000 оС, в пространстве между камерами требуется поддержание температуры 1400 оС. Подогрев коксовой батареи осуществляется газом, который смешивается с подогретым воздухом. При коксовании, а также в момент нагревания каменного угля до температуры в 100 оС начинается медленное испарение влаги, а далее при нагревании угля до 350 оС идет его просушивание и удаление смол.

При повышении температуры до отметки в 450 оС начинается размягчение частиц в коксующемся угле, а частички, полученные этим способом, начинают обволакивать некоксующиеся части угля, что образует сплошную массу, а впоследствии единый сплав. Чтобы сделать правильный и качественный состав требуется полное соблюдение всех этапов. Когда тепло массы достигает 480-650 оС, масса начинает выделять органические газообразные продукты сухой перегонки угля.

Если правильно пользоваться производством, то получают до 750 кокса из 1 тонны угля, а также 300м3 коксового газа и практически 35 кг каменноугольной смолы. В том числе 12 кг бензола и 3 кг аммиака. Уголь – это отличный источник тепла, который используют в частных домах для отопления.

Тема 10. Получение металлов.

Часть I

1. Металлы в природе встречаются: 1) только в самородном виде Pt, Ag, Au 2) и в свободном, и в виде соединений Cu, Hg 3) только в виде соединений: большинство, а также активные М (минералы Zn, Pb, Na, Li и др.)

Обобщение этих утверждений оформите с помощью ряда активности металлов, используя фигурные скобки:

2. Минералы – это различные природные соединения, включающие в себя М в связанном состоянии. Заполните таблицу «Названия и формулы минералов металлов».

3. Руды – это природные образования, содержащие минералы, в которых М находятся в количествах, пригодных для получения их самих.

4. Металлургия – это наука о методах и процессах производства металлов из руд и других металлосодержащих продуктов.

5. Заполните таблицу «Классификация общих способов получения металлов».

Часть II

1. Отделение пустой породы от руды – это обогащение.

2. Заполните таблицу «Восстановители в пирометаллургии».

3. Дополните схему:

Это пример электрометаллургии.

4. Сырьём для получения алюминия являются: а) алюмосиликаты б) боксит, корунд в) оксид алюминия.

5. Нарисуйте и опишите схему электролитического получения алюминия. Процесс получения алюминия электролизом проводят в электролитических ваннах в присутствии расплавленного криолита; из оксида алюминия;

6. Напишите синквейн о металлургии. 1) Металлы 2) Способ получения 3) Пиро-, электро-, гидрометаллургия 4) Основа промышленности 5) Получение.

7. Нарисуйте и опишите схему доменного процесса. Сущность доменного процесса состоит в восстановлении железа из оксидов и получении науглероженного металла (чугуна) и шлака, которые легко отделяются друг от друга из-за различия в плотностях.

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 – 6,67 % углерода (чугун). 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.

Дополнительные печные элементы

Функционирование печи требует работы вспомогательных устройств. Среди них:

• воздухонагреватели; крупные элементы башенного типа располагают рядом с печью; в них поступает колошниковый газ, который затем сгорает; благодаря этому образуется ещё более горячий газ, посредством сложной системы нагревающий воздух; последний – нагретый до температуры, как минимум, 1000 градусов – идёт в ход для выплавки чугуна;
• воздуходувные машины; сжатый воздух необходим для топливного горения; в печь воздух поступает благодаря устройствам, образующим давление порядка 25 МПа;
• устройства для подъёма и засыпки шихты;
• газоочистители для очистки колошниковых газов;
• прочие вспомогательные устройства – например, мостовые краны, которыми оборудованы литейные дворы.

Современные печи оснащаются системами автоматики. Компьютеризация позволяет контролировать и регулировать основные параметры, связанные с функционированием домны. Под контролем уровень засыпки сырья, давление газа, температура дутья и т. п.

Негодный чугун

При высоких температурах плавления рудное железо быстрее избавляется от окислявших его атомов кислорода и соединяется с атомами углерода (из угля). В штукофене железо обогащалось углеродом раньше, чем от него успевал отделиться шлак (иные примеси). Шлак выплавлялся, когда в печи уже образовывался не только комок крицы — железа с небольшим содержанием углерода, но и расплавленный чугун — переобогащённое углеродом железо.

Высокое содержание углерода делало чугун хрупким, не поддающимся ни ковке, ни сварке. Что было делать с таким металлом? А чугуна при выплавке тугоплавких руд получалось много, и он смешивался с жидким шлаком. Поначалу эту смесь выбрасывали, но в XIV в. стали извлекать из раздробленного шлака корольки — однородные кусочки чугуна и отливать из него грубые изделия.

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.