© 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.

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.

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.

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.

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:

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.

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

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

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.

Фурмы и летки

Устройство фурмы доменной печи показано слева на рис., чугунной летки в центре, а шлаковой справа:

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.

Шихтовые материалы в – доменную печь загружают сверху, снизу подают воздух для сжигания топлива. Про­дукты доменной плавки - жидкий чугун и шлак - вы­пускают снизу. Профиль внутреннего, плавильного про­странства доменной печи выбран таким образом, чтобы в нем происходило равномерное опускание загруженных материалов и равномерное распределение выделяющихся

Рис. 16. Профиль доменной печи:

1 - колошник; 2 - шахта; 3 - рас­пар; 4 - заплечики; 5 - горн

Рис. 17. Общий вид доменной пе­чи:

1 - летка для выпуска чугуна; 2 - фурменное устройство для подачи комбинированного дутья; 3 -ци­линдрическая часть колошника с защитными плитами; 4 - большой коиус колошника; 5 - малый конус колошника; 6 - устройство для вра­щения приемной воронки; 7 - при­емная воронка; 8 - скип; 9 - на­клонный мост; 10 - межконусное пространство; 11 - летка для вы­пуска шлака; 12 - площадка

Газов по сечению печи. Газы поднимаются снизу вверх. Профиль печи. На рис. 16 представлен профиль со­временной доменной печи . Верхняя часть печи называ­ется колошником (от слова колоша: так называли коро­ба, в которых перевозили уголь для загрузки в печь).

Через колошник печи, имеющий форму цилиндра, про­изводится загрузка шихты и отводятся газы. Ниже ко­лошника расположена UiaxTai представляющая собой усеченный конус, расширяющийся книзу. Такая форма шахты позволяет материалам расползаться в стороны и свободно опускаться вниз. Кроме того, расширение шах­ты устраняет уплотнение шихты. Наиболее широкая часть печи - распар - представляет собой короткий цилиндр, необходимый для создания плавного перехода от нижнего широкого основания шахты к сужающимся заплечикам - части печи, которая представляет собой усеченный конус с широкой частью вверху и узкой вни­зу. Если бы шахта непосредственно соединялась с запле­чиками, то в месте их соединения образовывался тупой угол, в котором задерживались опускающиеся сырые ма­териалы. Наличие распара сглаживает переход и устра­няет мертвое пространство. Заплечики приобрели сужа­ющуюся конусообразную форму потому, что в них про­исходит резкое сокращение объема загруженных матери­алов в связи с выгоранием кокса и образованием жидких продуктов плавки.

Нижняя часть печи представляет собой цилиндриче­ский горн, в котором накапливаются жидкие продукты плавки - чугун и шлак. В нижней части горна располо­жены отверстия - летки для выпуска чугуна, в верхней части горна находятся фурмы, через которые в печь по­дается воздух.

Рассмотрим более подробно устройство основных час­тей доменной печи, общий вид которой представлен на рис. 17.

Фундамент печи. Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой и находящимися в ней шихтовыми материалами и продук­тами плавки может иметь массу до 30 тыс. т. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву) делают в виде восьмиуголь­ной бетонной плиты толщиной до 4 м. На подошву опи­раются колонны, поддерживающие металлические кон­струкции печи (кожух).

Верхняя часть фундамента - пень - представляет собой монолитный цилиндр из жароупорного бетона, на котором и находится горн печи.

Горн (рис. 18) может быть разделен на три части. Нижняя, плоская часть горна - это лещадь, на которой находится жидкий чугун и шлак. Лещадь выдерживает ¦большое давление чугуна. Она выкладывается из углеро­дистых блоков снаружи, изнутри из крупноразмерного высокоглиноземистого кирпича, содержащего более 45% AI2O3. Общая толщина лещади достигает 5,5 м. Лещадь находится под воздействием высоких температур и гид­ростатическим воздействием жидкого чугуна. Жидкий

Рис. 18. Схема горна доменной печи:

I - бетонная подошва печи; 2- пень печи; 3- углеродистые блоки лещади горна; 4- высокоглиноземистый кирпич; 5 - чугунные плитовые холодиль­ники

Чугун проникает между кирпичами по швам и расклини­вает кладку. Происходит разрушение лещади, особенно сильное в первое время после начала работы. Для со­хранения лещади в печи поддерживают «мертвый слой» жидкого чугуна толщиной до 1000 мм, который не вы­пускают из печи. На крупных печах лещадь полностью выкладывают из углеродистых огнеупоров.

Вторая нижняя часть горна - от лещади до леток (металлоприемник) - служит копильником для рас­плавленного чугуна и шлака. Металлоприемник выкла­дывается из углеродистых блоков на углеродистой пасте. Фурменные проемы, чугунные и шлаковые летки выкла­дываются шамотным кирпичом. Внизу кладка имеет толщину до 1500 мм, в верхней части 325 мм. Кладка лещади и металлоприемника охватывается плитовыми холодильниками, представляющими собой металличес­кие плиты с трубами, по которым циркулирует вода.

Между лещадью и пнем в некоторых печах помещают металлические плиты с пазами для воздушного охлаж­дения. Снаружи плитовые холодильники и горн заключе­ны в металлический кожух из листов толщиной 40-50 мм. Для компенсации теплового расширения кладки нижней части горна между холодильниками и кладкой

Оставляют зазор ~100 мм, который заполня­ется плотно утрамбо­ванной углеродистой массой. В нижней час­ти горна на расстоя­нии 600-1700 мм от лещади располагаются отверстия - летки для выпуска чугуна и шла­ка. В печах с объемом до 2000 м3 делают одно отверстие, в более крупных печах - до че­тырех. Через чугунные

Чугун. Чугунная летка обрамляется стальной литой рамой, прикреп-

Ленной к кожуху печи (рис. 19). Проем рамы футеруется высокоглиноземистым кирпичом. Оставляют сквозной канал шириной 300 и высотой 400-500 мм, который за­бивают огнеупорной массой. Для выпуска чугуна в нем прорезают отверстие диаметром 50-80 мм. После вы­пуска чугуна канал летки вновь забивают огнеупорной массой.

Выше уровня чугунной летки на 1400-1800 мм рас­полагаются шлаковые летки, предназначенные для вы­пуска верхнего шлака. Шлаковые летки располагаются под углом 90° друг к другу и под углом 60° к чугунной летке. На печах среднего размера делают две, а на боль­ших печах одну летку для выпуска шлака.

Рис. 19. Устройство чугунной леткн: ЛеТКИ 18 20 раз B CyT-

/- футляр нз огнеупорной массы; 2- КИ ВЫПуСКаЮТ ЖИДКИЙ

Огнеупорная кладка; з - рама; 4 - хо­лодильник

В проем шлаковой летки устанавливается шлаковый прибор, схема которого приведена на рис. 20. Основные части шлакового прибора: медная водоохлаждаемая фурма, медный холодильник, чугунный холодильник с за­литым спиральным змеевиком для воды, чугунная водо­охлаждаемая амбразура, с помощью которой прибор

Крепится к кожуху печи. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной масой, в которой проре­зают отверстие для выхода шлака из печи. Шлаковая фурма закрывается металлической пробкой с помощью стопорного устройства. В крупных печах выпуск шлака происходит вместе с чугуном из одной летки.

Рис. 20. Схема шлакового прибора:

1 - чугунная водоохлаждаемая амбра­зура; 2 - чугунный холодильник; 3 - медный холодильник; 4 - медная во­доохлаждаемая фурма

Фурмы. В верхней ча­сти горна на расстоянии 2700-3500 мм от оси чу­гунной летки расположе­ны по окружности печи фурмы для подачи в печь горячего воздуха, при­родного газа, пылевид­ного или жидкого топли­ва. Число фурм зависит от размера печи и состав­ляет от 18 до 42. Воздух к печи подается в коль­цевой воздухопровод вну­тренним диаметром до 1650 мм, окружающий доменную печь. От возду­хопровода с помощью фурменных приборов ду­тье поступает в печь. Фурменный прибор (рис. 21) состоит из водоох- лаждаемой литой медной фурмы с внутренним диаметром до 200 мм, которая выступает внутрь печи из кладки на 300 мм. Фурма крепится в хо­лодильниках. Холодильники способствуют охлаждению кладки горна, находящейся в непосредственной близости к очагам горения, позволяют установить фурму в гнезде и устранить выдувание газа из печи. Холодильник дела­ется составным. Воздух к фурме подается по стальному футерованному соплу, которое подсоединено к подвиж­ному колену. При помощи тяг и пружин сопло прижима­ется к фурме. Для смены сопла или фурмы колено дол­жно быть оттянуто назад при помощи шарнирного сое-^ динения с переходным патрубком. Патрубок соединяется с фурменным рукавом, подсоединенным к кольцевому воздухопроводу. В торце фурменного прибора имеется гляделка для наблюдения за процессом сгорания топли­ва. При подаче в печь газа или мазута через фурму про­пускают трубки, по которым подают топливо. Каждый

Фурменный прибор оборудован устройством для измере­ния и регулирования расхода воздуха.

Заплечики. Кладку заплечиков выполняют в один кирпич толщиной 345 мм. Кладка охлаждается плитовы – ми ребристыми холодильниками. Как показывает опыт, огнеупорная кладка заплечиков подвергается интенсив­ному износу и быстро выгорает. На оголенных местах на поверхности холодильников образуется защитный слой

Рис. 21. Устройство фурменного прибора:

1 - медная воздушная фурма; 2, 3 - холодильники; 4 - сопло; 5 - подвижное колено; 6 - переходный патрубок к воздухопроводу

Из шлака и шихтовых материалов (гарнисаж), который и защищает холодильники от действия высокой темпе­ратуры и жидких продуктов плавки.

Распар. Стенки распара имеют значительную толщи­ну - до 690 мм, они выкладываются из шамотного кир­пича и охлаждаются мараторными холодильниками, в торцы которых залиты огнеупорные кирпичи. Кожух шах­ты опирается на массивное металлическое мараторное кольцо и передает на него давление кладки и конструк­ций верхней части печи. Кольцо опирается на колонны.

Шахта. Шахту выкладывают шамотным кирпичом. Ее толщин^ ЬГНк!>кНёЙ lIiiCTH зависит от способа охлаж- дения и может изменяться от 690 до 1020 мм, вверху тол­щина кладки 920 мм. Почти по всей высоте шахты на две трети от распара устанавливают холодильники в шахматном порядке. Между кожухом и кирпичной клад­кой или между кирпичами и холодильниками оставляют зазор 50-60 мм, заполненный шамото-асбестовой набив­кой для компенсации теплового расширения кладки шах­ты. Кладка шахты сильно изнашивается под влиянием потока раскаленных газов, несущего мелкие твердые ча­стицы материалов. В нижней части шахты и в распаре шамотный кирпич может разрушаться вследствие era взаимодействия со шлаком. В верхних и средних гори­зонтах шахты может происходить, разрушение кладки из-за отложения сажистого углерода по реакции 2СО = = С02 + С.

Разрушению кладки способствует также отложение в швах кладки оксида цинка, образующегося вследствие окисления цинка, испаряющегося при плавке. Средняя продолжительность кампании шахты 4-5 лет. Снару­жи кладка шихты заключена в прочный кожух. С по­мощью системы брызгал кожух поливают водой, которая стекает вниз в короба, приваренные внизу шахты.

Колошник. Футеровка колошника выполняется из стальных плит, предохраняющих конструкцию печи от ударов сырых материалов, засылаемых в печь. Между плитами и кожухом печи делают слой кладки из шамот­ного кирпича. Верхняя часть кожуха печи называется куполом. К нему крепится кольцо засыпного аппарата. Купольная часть изнутри футерована чугунными плита­ми с залитым в них кирпичом.

Кожух печи. Всю печь охватывает сварной кожух, выполненный из листов толщиной от 20 до 50 мм.

Короткий путь http://bibt.ru

§ 5. УСТРОЙСТВО ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

В доменной печи получают различные сорта чугуна из железных руд. Доменные печи, работающие на коксе, называются коксовыми, а работающие на древесном угле — древесноугольными.

Доменная печь — домна (рис. 13) является шахтной печью непрерывного действия. Она имеет форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями, между которыми находится цилиндрическая часть, называемая распаром.

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.

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.

Рис. 13. Доменная печь с полезным объемом 1300 м 3

Внизу горна расположены отверстия для выпуска чугуна — чугунная летка, и для выпуска шлака — шлаковая летка. Нижняя часть, или дно, горна называется лещадью. Лещадь опирается на железобетонный фундамент печи. Стенки доменной печи выложены огнеупорным шамотным кирпичом. Огнеупорная кладка печи заключена в стальной кожух, который изготовляют из склепанных или сваренных между собой листов. Для повышения стойкости огнеупорной кладки производится охлаждение ее с помощью металлических холодильников, в которых циркулирует вода.

В настоящее время черная металлургия оснащается в основном крупными высокопроизводительными доменными печами. Современные доменные печи снабжаются устройствами автоматического контроля. Эти устройства контролируют, регулируют и регистрируют основные параметры доменного процесса.

Сейчас полностью автоматизированы такие основные участки работы доменной печи, как подача руды, контроль уровня засыпки шихты, регулирование температуры дутья, влажности воздуха, давления газа, нагрев воздухонагревателей. Ряд приборов показывает содержание углекислоты в колошниковом газе, его температуру и т. д.

В нашей стране строится самая мощная в мире доменная печь объемом более 2000 м 3 и годовой производительностью более 1 млн. т. В этой печи предусмотрена комплексная автоматизация выгрузки. Обычные вагон-весы заменены системой пластинчатых транспортеров. Регулирование количества и запаса шихты, а также режимов загрузки осуществляется программным устройством. Вместо вскрытия чугунной летки электросверлом будет применяться дистанционное управление этим процессом. Разливка чугуна и шлака также механизируется.

Обновлено:

2016-08-18

Доменная печь — это незаменимое оборудование в металлургических процессах. Такие печи появились достаточно давно, и они позволяли плавить железорудное сырье, превращая его в различные предметы быта, военного вооружения и пр. Как выглядит доменная печь сегодня и что собой представляет данный агрегат? Об этом в нашем материале.

Фото доменной печи

Доменная печь насчитывает многовековую историю. Впервые подобные агрегаты появились на территории Европы в 14 веке.

Только через несколько столетий, в 16 веке, доменные печи добрались до территории России.

В печках процесс плавления чугуна осуществляется непрерывно. Сверху печки загружается сырье для плавки, а снизу предусмотрены системы для подачи топлива и кислорода. При нагревании железная руда плавится.

При высокой производительности, печки отличаются достаточно простой конструкцией и отменной надежностью. Только при таких условиях можно добиться желаемого результата от работы оборудования.

Но как устроена современная доменная печка?

• Конструкция представляет собой внушительное по размерам устройство, высота которого может достигать 30 метров и более;
• Диаметр устройства примерно в три раза меньше;
• Стенки печки выполняют из шамота, либо используют другие материалы с отличными огнеупорными характеристиками;
• Нижнюю часть горна и основание изготавливают из углеродистых блоков, которые отличаются высокой степенью огнеупорности. Чтобы огнеупорные характеристики находились всегда на высоком уровне, предусмотрены металлические холодильники, по которым осуществляется циркуляция воды;
• Снаружи оборудование заключено в стальной кожух толщиной 40 миллиметров;
• За счет высокотехнологичного подхода и возможностей современной техники, доменные печки достигают массы в несколько десятков тысяч тонн;
• Огромный вес порядка 30 тысяч тонн требует наличия соответствующего фундамента;
• Фундамент состоит из бетонной плиты толщиной 4 метра и закрепленной на ней колонны и монолитного цилиндра. Для их изготовления используется специальный жаропрочный бетон;
• Поверх фундамента монтируется горн доменной печки;
• Печка, предназначенная для плавки сырье, отличается внушительным объемом, поскольку при увеличении размеров экономичность оборудования улучшается;
• Самые большие модели доменных печек отличаются полезным объемом около 3 тысяч кубометров;
• Вверху горна монтируются специальные фурмы, необходимые для подачи воздуха. Их бывает установлено не более 36 единиц;
• Для работы доменной печки требуется огромное количество воздуха. Для удовлетворения потребностей печки применяются турбовоздуходувки;
• За нагрев воздуха отвечает воздухонагреватель, являющийся необходимым элементом конструкции;
• Современные печи способны работать без перерывов в течение 10 лет. При загрузке сырья на выходе производитель получает чугун;
• Загружается сырье калошами — это специальные выверенные порции, с которыми идеально справляется доменная печь;
• За сутки доменка способна произвести около 5 тысяч тонн чугуна;
• Процессы загрузки и подготовки механизированные;
• Чтобы добиться качественной плавки чугуна, конструкцией доменной печки предусматриваются определенные вспомогательные механизмы для загрузки, подъема используемого сырья.

Особенности работы

С конструкцией и некоторыми особенностями доменной печи мы познакомились. Теперь необходимо разобраться в технологических процессах, которые протекают в этом промышленном оборудовании.

1. Исходным сырьем выступают рудные вещества. Это может быть любой вид железняка или руды, в которой содержится марганец.
2. Доменная печь — это устройство для получения чугуна, его выплавки из соответствующего сырья.
3. Загружая материалы в печь, важно соблюдать определенные пропорции. Правильно подобранная по пропорциям смесь называется шихтой. В ее состав включена руда, флюс и кокс.
4. Главным этапом процесса производства чугуна является восстановление железа. Полученное методом распара железо, где растворяется углерод, доменная печь выдает чугун.
5. В самых высокотемпературных точках доменки чугун начинает плавиться.
6. За счет продуманной схемы работы доменной печи, процесс горения является непрерывным. Поддерживается горение правильно подаваемыми порциями воздуха.
7. Предварительно воздух нагревается до нужных температур, предусмотренных технологиями процесса выплавки. При подаче холодного воздуха печь не подогревалась, а остывала бы. Это привело бы к более медленному протеканию процесса выплавки изделий.
8. Специальная труба обеспечивает удаление продуктов сгорания.
9. На выходе доменные печи выдают чугун в жидкой форме, который выпускают наружу через специальные отверстия в нижней части конструкции.
10. Большой ковш захватывает расплавленный чугун, транспортирует его в цехи для дальнейшей обработки.
11. Переработка жидкого чугуна в сталь не является обязательным этапом технологического процесса. Все зависит от того, на какие задачи ориентировано металлургическое предприятие, использующее доменные печи.
12. Остатки переработанного сырья не идут на свалку. Они выходят из печи через соответствующие устройства. Их называют шлаковыми летками. Данные отходы служат для дальнейшего производства стройматериалов.

Особенности обслуживания и ремонта

Поскольку доменные печи работают беспрерывно, к вопросу их технического обслуживания необходимо подходить особенно внимательно.

• Цель обслуживания — не допустить преждевременный износ. Для этого ответственные за обслуживания лица должны строго опираться на технический паспорт, предоставляемый производителем для их печей;
• При наличии на производстве специализированных правил эксплуатации конкретной доменной печи, все мероприятия по обслуживанию осуществляются строго на их основании;
• При отсутствии перечня правил, опираться следует на прочие директивные материалы;
• Периодические ремонтные мероприятия осуществляются по мере возникновения неисправностей. При этом процесс производства чугуна в доменной печи останавливаться не должен;
• Исключением является капитальный ремонт, при необходимости проведения которого доменную печь останавливают.

Существует три типа капитального ремонта.

1. Ремонт первого разряда. В этом случае из горна необходимо извлечь все сырье, провести визуальный осмотр оборудования, принимающего участие в технологических процессах.
2. Ремонт второго разряда. Предусматривает замену элементов, имеющих вторичную роль в конструкции доменной печи.
3. Ремонт третьего разряда. Подразумевает полностью замену агрегатов, которые необходимы для загрузки сырья и дозирования исходных материалов.

Не редко доменные печки останавливают, чтобы провести ремонтные работы и дополнительно осуществить модернизацию оборудования. Так производитель сокращает периодичность простаивания оборудования, теряя меньше денег.

Доменные печи — это уникальные устройства, которые поражают своими габаритами и возможностями.

Доменная печь после многочисленных преобразований и модернизаций на современном этапе представляет собой конструкцию для получения чугуна как основного ингредиента сталелитейной промышленности.

Устройство доменной печи позволяет вести непрерывную плавку до капитального ремонта, который проводится с периодичностью один раз в 3-12 лет. Остановка процесса приводит к образованию сплошной массы из-за спекания компонентов (закозления). Для ее извлечения необходима частичная разборка агрегата.

Рабочий объем современной доменной печи достигает 5500 м3 при высоте 40 м. Она способна выдать около 6000 т чугуна за одну плавку. А специальное оборудование, обслуживающее системы, расположенные вокруг, занимает несколько десятков гектар земли.

Доменная печь используется для производства литейного чугуна, который в дальнейшем проходит плавку для получения различных марок чугунов или отправляется на восстановление для получения конструкционных сталей.

Строение доменной печи напоминает шахту. Ее диаметр в три раза меньше высоты. Монтаж высотной конструкции осуществляется на бетонном фундаменте толщиной 4 м. Необходимость в таком массивном фундаменте возникает из-за массы домны, которая более 30 000 т.

На фундаментной плите закрепляются колонны и цельный (монолитный) цилиндр, которые изготавливаются и термостойкого бетона. Внутреннее пространство конструкции обложено огнеупорными материалами, а верхняя часть шамотом. В районе заплечников, где температура достигает 2000°С — графитированными материалами, а под ванной с чугуном — футеровка из глинозема. Также на фундаменте монтируется печной горн.

Нижняя часть доменной печи, где температура максимальна, оборудуется холодильниками с водяным охлаждением.Для удержания собранной огнеупорной конструкции, с внешней стороны доменная печь заключена в металлическую рубашку толщиной 40 мм.

Процесс восстановления железа происходит из руды в среде известнякового флюса при высокой температуре. Температура плавления достигается горением кокса. Для поддержания горения необходим воздух, поэтому в домне установлены 4 — 36 фурм или леток.

Большой внутренний объем нуждается в больших объемах воздуха, которые подают турбинные нагнетатели. Чтобы не снижать температурный, режим воздух перед подачей подогревается.

Схематически доменная печь выглядит следующим образом.

Состав конструкции производства литья:

1. шихта (руда и известняк);
2. коксовый уголь;
3. загрузочный подъемник;
4. колошник, предотвращающий попадание газов из домны в атмосферу;
5. слой загруженного кокса;
6. шихтовый слой;
7. воздушные нагнетатели;
8. отводимый шлак;
9. литьевой чугун;
10. емкость для приема шлака;
11. приемный ковш для расплава;
12. установка типа Циклон, очищающая от пыли доменный газ;
13. кауперы, регенераторы газов;
14. дымоотводящая труба;
15. воздухоподвод в кауперы;
16. угольный порошок;
17. печь для спекания кокса;
18. емкость для хранения кокса;
19. отведение колошникового газа высокой температуры.

Доменная печь обслуживается вспомогательными системами.

Колошник – это затвор домны. От его исправной работы зависит экологическая обстановка вокруг производства.

1. воронка приемная;
2. воронка маленького конуса, вращающаяся;
3. конус маленький;
4. межконусное пространство;
5. конус большой;
6. скип.

Принцип работы колошника следующий:

• Большой конус опущен, а малый поднят. Окошки во вращающейся воронке перекрыты.
• Скип осуществляет загрузку шихты.
• Поворачиваясь, воронка открывает окна, и шихта осыпается на малый конус 3. затем возвращается на место.
• Конус поднимается, тем самым препятствует выходу доменных газов.
• Конус опускается для передачи шихты в межконусное пространство, затем поднимается на исходную позицию.
• Конус опускается, а вместе с ним шихта загружается в доменную шахту.

Такая дозированная подача обеспечивает послойное распределение материалов.

Скип – черпак, при помощи которого осуществляется загрузка. Она выполняются по конвейерной технологии. Воздушные нагнетатели – летки и фурмы осуществляют подачу воздуха в доменную шахту под давлением 2-2,5 МПа.

Кауперы служат для нагревания подаваемого воздуха. В регенераторах он подогревается доменными газами, снижая тем самым энергетическую нагрузку на агрегат. Воздух нагревается до 1200°С и подается в шахту. При снижении температуры до 850°С подача прекращается, возобновляется цикл нагрева. Для бесперебойной подачи горячего воздуха устанавливается несколько регенераторов.

Принцип работы домны

Для получения чугуна необходимы следующие ингредиенты: шихта (руда, флюс, кокс), высокая температура, постоянная подача воздуха для обеспечения непрерывного горения.

Термохимические реакции

Восстановление железа из окислов путем ступенчатой химической реакции:

3Fe2O 3 +CO→2Fe 3 O 4 +CO 2 ,

Fe 3 O 4 +CO→3FeO+CO 2 ,

FeO+CO→Fe+CO 2 .

Общая формула:

Fe 2 O 3 + 3CO → 2Fe + 3CO 2 .

Получение необходимого количества углекислого и угарного газа обеспечивает горение кокса:

С + О 2 → СО 2 ,

СО 2 + С → 2СО.

Для отделения железа от примесей используется известняковый флюс. Химические реакции, образующие шлак:

СаСО 3 → СаО + СО 2 ,

СаО + SiO 2 →CaSiO 3 .

Принцип работы доменной печи таков. После загрузки доменную печь начинают разжигать газом. По мере повышения температуры подключается каупер и начинается продувка воздухом. Кокс – топливо для доменной печи – начинает интенсивнее гореть, и температура в шахте значительно увеличивается. При разложении флюса образуется большое количество углекислого газа. Угарный газ в химических реакциях выступает восстановителем.

После сгорания кокса и разложения флюса столб шихты опускается, сверху добавляется очередная порция. Снизу в самой широкой части шахты происходит полное восстановление железа при температурах 1850°С — 2000°С. Затем оно стекает в горн. Здесь происходит обогащение железа углеродом.

Температура в доменной печи изменяется в сторону увеличения по мере опускания шихты. Процесс восстановления протекает при 280 °С, а плавка происходит после 1500 °С.

Разлив расплава происходит в два этапа. На первом через летки сливается шлак. На втором через чугунные летки сливается чугун. Больше 80% выплавляемого чугуна идет на производство стали. Из остального чугуна отливают в опоках болванки.

Работает доменная печь непрерывно. От загрузки шихты до получения сплава проходит 3-20 дней — все зависит от объема печи.

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.