Доменная печь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Доменная печь, домна - большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине 16 века, в России - около 1630 года.

Слово домна образовано от старославянского дмение - дутьё. На других языках: английского blastfurnace - дутьевая печь, немецкого Hochofen - высокая печь, французского hautfourneau - высокая печь. Следует иметь в виду коренное отличие в значении слов домница и доменная печь; в домнице получали (в виде кусков или криц) штуки восстановленного сыродутного (от слова «сырое», то есть не подогретое дутьё) железа, а в доменной печи - жидкий чугун. А также собирается вода, которая стекает с металла, и образуется металлическая вода с примесями кальция.

Историческая справка. Чугун был известен за 4-6 веков до нашей эры. Доменная печь возникло в результате развития сыродутного процесса - прямого получения железа в твёрдом состоянии непосредственно из железной руды путём восстановления её в низких горнах или шахтных печах (домницах) с помощью древесного угля. Первые доменные печи в Европе появились в середине 14 веке, а в России - около 1630, вблизи Тулы и Каширы. На Урале первый чугун получен в 1701, а в середине 18 века благодаря развитию уральской металлургии Россия вышла на 1-е место в мире, которое удерживала до начала 19 века до середины 18 века единственное топливо в доменной печи был древесный уголь.

В 1735 А. Дерби применил в доменной плавке каменно-угольный кокс.

Идея строительства большого металлургического завода в Центральном Казахстане возникла в 1930-е годы. Этот вопрос неоднократно поднимали ученые-геологи К. Сатпаев, М. Русаков, А. Сперанский, однако на тот период сырьевая база была еще слабо изучена. В октябре 1940 года Наркомчерметом был составлен документ «О подготовительных работах к строительству металлургического завода в Казахской ССР», где указывалось на необходимость к 1 мая 1942 года разведать месторождение железных руд по степени, позволяющей создать горнорудные предприятия, и представить соображения о постройке металлургического завода. Но грянувшая война внесла коррективы. Первый правительственный документ о строительстве в Темиртау металлургического завода был подписан в Москве 25 апреля 1942 года. И в мае 1943 года началось сооружение Казахского металлургического завода, объявленного всенародной стройкой. Первый чугун Торжественная закладка первой доменной печи состоялась в декабре 1957 года. Вскоре после этого Казахстанская Магнитка была объявлена Всесоюзной ударной комсомольской стройкой. Откликнувшись на призыв, со всех уголков бывшего Советского Союза сюда съезжались по комсомольской путевке тысячи юношей и девушек. В числе прибывших первым эшелоном был и Нурсултан Назарбаев. Начинал он бетонщиком, а потом занял место у доменной печи, овладев самой трудной профессией.

И вот она - первая долгожданная победа! 3 июля 1960 года доменная печь №1 выдала первый казахстанский чугун. Эта дата и стала считаться днем рождения Карагандинского металлургического комбината. Разливку первого чугуна производила бригада №3, в которой работал горновым будущий Первый Президент Казахстана Нурсултан Назарбаев. Руководил первой плавкой начальник доменного цеха Вадим Романов. Старший горновой Ахат Набиуллин пробил летку, и по желобу пошел первый казахстанский чугун.

Темиртау - особый город в судьбе Первого Президента РК Нурсултана Назарбаева. Город становления, где начинался трудовой подъем и в огненных условиях закалялся характер. Здесь у Главы государства много друзей и соратников. Летом 1958 года был первый призыв на Магнитку. Откликнулись на него многие казахские ребята, в основном из сельских глубинок. Вчерашние выпускники школ пошли осваивать металлургические специальности. Одним из тех, кто прибыл по комсомольской путевке в Темиртау на тогда еще строящийся Карагандинский мет комбинат, был и Нурсултан Назарбаев. Начинал он бетонщиком, а потом занял место у доменной печи. Труд горнового - чрезвычайно тяжелый, и далеко не каждый способен выдержать сверхнагрузку при температуре свыше 1000 градусов. Поэтому он и самый почетный. Нурсултан Назарбаев прибыл в Темиртау, будучи 18-летним пареньком. Из добровольцев отобрали 300 ребят и отправили их учиться на металлургов. Нурсултан оказался в группе из ста человек, поехавших на Украину. В Днепродзержинском ТУ №8 он постигал азы металлургической науки. Уже тогда проявились лидерские качества будущего президента. В 1960 году Н.А. Назарбаев начал работать рабочим стройуправления треста «Казметаллургстрой» в городе Темиртау Карагандинской области. Некоторое время учился азам металлургического мастерства в украинском Днепродзержинске. Потом работал чугунщиком разливочных машин и горновым доменной печи на Карагандинском металлургическом комбинате. Затем был там же диспетчером, газовщиком и старшим газовщиком доменного цеха. Так как в те годы в промышленности работали в основном русские, казахов было очень мало, молодого Назарбаева активно привлекали (как представителя коренной национальности) к комсомольской работе. В итоге в 1962 году Нурсултан Назарбаев стал членом Коммунистической партии Советского Союза (вышел в 1991 году), а через пять лет получил высшее образование, окончив в 1967 году, завод-втуз (высшее техническое учебное заведение) при Карагандинском комбинате. За полвека на Казахстанской Магнитке выплавлено более 173 миллионов тонн чугуна, свидетельствует статистика. Однако главная ценность - это люди, большое «железное» братство Магнитки. Металлурги всегда были и остаются опорой страны.

1. Виды печей

Классификация печей - это упорядоченное разделение их в логической последовательности и соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связей между ними с целью определения точного места в классификационной системе, которое указывает на их свойства. Она служит средством кодирования, хранения и поиска информации, содержащейся в ней, дает возможность распространения обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практикой эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовых решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических, теплотехнических и механических процессов. Классификация печей теснейшим образом связана с пониманием сущности научного познания, его предмета и метода, его источников, движущих сил и конечных целей применения его результатов; она является важной и неотъемлемой частью системной теории печей.

Печи кипящего слоя-печь, в которой порошкообразный, зернистый (гранулированный) материал взаимодействует с газовым потоком во взвешенном состоянии («кипит»). Отличается высокой интенсивностью массо- и теплообмена. Кипящего слоя печь используют для адсорбции и конденсации паров, нагревания, охлаждения и сушки материалов, проведения различных химических процессов (окисления, восстановления, прокаливания, фторирования). Расширяется применение кипящего слоя печь в качестве топок ТЭЦ и ГРЭС.

Вращающая печь-трубчатая печь, барабанная печь, печь цилиндрической формы с вращательным движением вокруг продольной оси, предназначена для нагрева материалов с целью их физико-химической обработки. Вращающиеся печи классифицируются по принципу теплообмена - с противотоком и с параллельным током; по виду топлива - пылевидного, кускового, жидкого и газообразного топлива, а также печи с электронагревом; по способу передачи энергии - с прямым, косвенным (через стенку муфеля) и комбинированным нагревом материала. Вращающаяся печь применяется в металлургии (например, вельц-печи). Основные размеры вращающейся печи длина от 50 до 230 метра, диаметр от 3 до 7,5 метра. Производительность достигает 150 т/ч (по готовому продукту).

Доменная печь. Домна - шахтная печь для выплавки чугуна из железорудных материалов. Печь установлена на бетонном фундаменте, на котором (в цилиндрическом кожухе) уложена кладка из огнеупорного кирпича, образующая лещадь печи. В нижней части печи горне имеются чугунные и шлаковые лётки, а также фурменные приборы. Над горном расположены заплечики, соединённые с распаром - самой широкой частью печи. Распар переходит в сужающуюся кверху тахту, которая заканчивается цилиндрическим колошником. Расстояние от уровня чугунных лёток до верха колошника называется полезной высотой доменной печи. Важнейшая характеристика доменной печи - её полезный объём. Крупнейшая в мире доменная печь объёмом 5580 м³. Производительность этой печи - более 12000 т/сут. Основной технико-экономическим показателем работы доменной печи служит коэффициент использования полезного объёма (в м³), приходящийся на 1 т выплавленной в сутки чугуна. Чем лучше работает печь, тем ниже коэффициент использования полезного объёма. Некоторые доменные печи имеют коэффициент использования полезного объёма менее 0,5.

Плавильная печь - печь для превращения кого-либо материала в жидкое состояние нагревом его до температуры, превышающей температуру плавления. Плавильную печь используют в производстве чугуна, стали, цветных металлов, литейных производствах. Плавильные печи работают на твёрдом, жидком и газообразном топливе, электрической энергии. В некоторых плавильных печах используют солнечную энергию.

Автогенные печи-источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах. В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи. В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты. Этот процесс не требует расхода топлива. В цветной металлургии при производстве материалов из сульфидного сырья основным источником теплогенерации является процесс выгорания серы, содержащейся в сульфидах. В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне. Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами.

Мартеновская печь - (по имени французского металлурга П. Мартена (P. Martin; 1824-1915)) - пламенная регенеративная печь для производства стали из чугуна и стального лома. Первая мартеновская печь была построена в 1864 во Франции. В конструкции мартеновской печи выделяют 2 основные части; верхнее строение печи, состоящее из рабочего пространства и головок, расположенной на двух его концах и служащих попеременно для подачи газообразного или жидкого топлива и воздуха, предварительно подогретых (до 1100-1200°С) в регенераторах, и для отвода продуктов горения; нижнее строение печи, состоящее из двух пар шлаковиков для собирания пыли и шлаков, уносимых дымовыми газами, и двух пар (газовых и воздушных) регенераторов, аккумулирующих теплоту продуктов горения с последующей ее отдачей газу и воздуху. Топливо для мартеновская печь - газообразное (коксо-доменный и природный газ), жидкое (мазут, каменноугольная смола) и пылевидное (угольная пыль). Для интенсификации сжигания топлива воздух обогащают кислородом. В зависимости от огнеупорных материалов, из которых выполнены под, стены и свод рабочего пространства, печи делят на кислые (кладка пода из динаса с наваркой из кварцевого песка) и основные (с кладкой и наваркой пода из магнезита, доломита и стенами из магнезитового или хромомагнезитового кирпича). Большинство мартеновских печей стационарные, реже строят качающиеся, у которых рабочее пространство при помощи спец. механизма наклоняется в сторону рабочей площадки (для спуска шлака) и разливочного пролёта (для выпуска металла). Мартеновские печи могут работать как на твёрдой, так и на жидкой завалке, вместимость.

Электрические печи-по способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии; электродуговые, индукционные и печи сопротивления.

Дуговая печь-промышленная печь, в которой теплота электрической дуги используется для плавки металлов. Достоинство дуговой печи - возможность развить в рабочем пространстве высокую температуру, обеспечить практически любую атмосферу. По способу нагрева дуговые печи делят на печи прямого действия (электрические дуги горят между электродами и нагреваемым телом), печи косвенного действия (дуга горит между электродами на некотором расстоянии от металла) и печи с закрытой дугой (дуги горят под слоем твёрдой шихты, в которую погружены электроды). Наибольшее применение в промышленности (главным образом для выплавки стали) находят дуговые печи первого типа. Вместимость таких печей достигает 360 т. Большое значение для получения высококачественной стали, металлов и сплавов приобрели вакуумные дуговые печи с расходуемым электродом, а дуговые печи с расходуемым электродом, которым служит материал, подвергаемый рафинирующему переплаву (например, сталь, титан, ниобий) в виде катаной, кованой, литой или прессов, заготовки. Для переплава измельчённых (дроблёных, порошкообразных) металлов применяют вакуумные дуговые печи с не расходуемым электродом, материалом для которого служат вольфрам или графит.

Индукционная печь-электрическая плавильная печь, в которой металл помещается в переменное электромагнитное поле, в результате чего в металле индуктируется нагревающий его электрический. Различают канальные индукционные печи применяемые главным образом в цветной металлургии, и тигельные индукционные печи, используемые обычно для плавки стали и чугуна. Ёмкость печей от несколько кг до сотен т. Достоинства индукционной печи получение очень чистого продукта, высокая скорость нагрева, лёгкость регулирования температуры, малый угар металла, возможность ведения плавки в защитной газовой среде или в вакууме. Для этой цели служат спец. вакуумные индукционные печи.

Электрическая печь сопротивления (ЭПС) - электротермическая установка, в которой тепло выделяется за счет протекания тока по проводнику. Установки такого типа по способу выделения тепла делятся на две группы: косвенного действия (тепло выделяется в нагревательных элементах) и прямого действия (тепло выделяется в нагреваемом изделии). Возможностью получения в печной камере любых температур до 3000°С. Производительность таких печей больше, нагрев изделий более однороден, расход энергии меньше; как правило, они в высокой степени механизированы. В печах прямого действия изделие (пруток, труба) непосредственно нагревается протекающим через него током, что позволяет сосредоточить в нём большую мощность и обеспечить очень быстрый нагрев (секунды, доли минуты).

Электромнно-лучевамя печь-печь для получения особо чистых металлов и сплавов. В такой печи вещество плавится за счёт тепла, выделяющегося при соударении пучка электронов (луча) с поверхностью расплавляемого образца. Основные узлы электронно-лучевой печи: электронная пушка для создания пучка электронов; плавильная камера; водоохлаждаемый кристаллизатор из меди; автономные вакуумные системы для создания глубокого вакуума в пушке и плавильной камере (порядка 1-10 МПа). Вакуум необходим для того, чтобы пучок электронов на пути к нагреваемому телу не терял энергию за счёт взаимодействия с молекулами газов, а также для удаления из расплавленного материала летучих примесей. На рисунке показана принципиальная схема печи с одной электронной пушкой. Электронная пушка создаёт мощный пучок электронов (электронный луч), который направляется в плавильную камеру, где находится расплавляемый образец. Под действием электронного потока образец нагревается до температуры плавления и в расплавленном состоянии стекает в кристаллизатор, где охлаждается и кристаллизуется в слиток. В мощных печах, предназначенных для плавки слитков весом до нескольких тонн, применяют несколько электронных пушек. Электронно-лучевые печи используют для получения тугоплавких металлов и сплавов на их основе (тантал, ниобий, молибден, цирконий, титан), а также для выплавки многотонных стальных слитков. Суммарное содержание примесей в материалах электронно-лучевого переплава составляет 10-3 -10-4% масс.

2. Основная часть

2.1 Конструкция печи

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.

Рисунок 1-Конструкция доменной печи: 1-горн, 2-воздушная фурма, 3-заплечик, 4-распар, 5-шахта, 6-колошник, 7-приемная воронка, 8-засыпной аппарат, 9-вагонетка, 10-малый конус, 11-чаша, 13-большой конус, 14-фурменные устройства, 15-лещадь16-шлаковая лётка, 17-чугунная лётка

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 около 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 количества тепла:

C + O₂ = CO₂ + Q

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

CO2 + C = 2CO

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

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

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 желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун поступает в миксеры либо в чугуновозные ковши и вывозится либо в сталеплавильный цех, либо в разливочные машины.

Современная печь вместе со всеми сооружениями и металлоконструкциями, футеровкой (огнеупорной кладкой) и находящимися в ней шихтовыми материалами и продуктами плавки может иметь массу свыше 30 тысяч тонн. Эта масса должна быть равномерно передана грунту. Нижнюю часть фундамента (подошву делают в виде массивной 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 находится горн печи.

Горн доменной печи - нижняя часть доменной печи, цилиндрическая по внутреннему очертанию и коническая (иногда цилиндрическая) по наружной форме. Горн оснащен устройствами для выпуска чугуна и шлака (чугунными и шлаковыми летками) и приборами (фурмами) для вдувания нагретого (на кауперах) до 1100-1400°С, обогащенного кислородом до 23-25%, воздуха. Горн доменной печи - наиболее ответственная часть её конструкции. Здесь скапливается до 1000 тонн и больше расплавленных продуктов плавки - чугуна и шлака. На дно горна оказывает давление весь столб шихты массой 9-12 тысяч тонн. Давление горновых газов составляет 0.4-0.5 МПа, а их температура в очагах горения кокса достигает 1700-2100°С. Внутри горна непрерывно движутся и обновляются кокс, жидкие чугун и шлак, горновые газы. По сути это мощный непрерывно движущийся реактор. В связи с этим к конструкциям горна предъявляются жесткие требования по прочности, герметичности и огнеупорности. Основные конструктивные элементы горна - кожух, холодильники, чугунная и шлаковая летка, фурменные приборы.

Это канал прямоугольной формы шириной 250-300 мм с высотой 450-500 мм. Канал делают в огнеупорной кладке горна на высоте 600-1700 мм от поверхности лещади. Каналы для шлаковых лёток выкладывают на высоте 2000-3600 мм. Канал чугунной летки закрыт огнеупорной массой. Открывают чугунную лётку путём высверливания бурильной машиной отверстия диаметром 50-60 мм. После выпуска чугуна и шлака (на современных больших доменных печах выпуск чугуна и шлака осуществляется через чугунные лётки) отверстия забивают с помощью электрической пушки. Носок пушки входит и в неё из пушки под давлением подают лёточную огнеупорную масса. Шлаковая лётка на доменной печи защищена водоохлаждаемыми элементами, которые в совокупности называют шлаковыми стопорами и рычажной конструкции с пневматическим приводом, управляемым дистанционно. Доменные печи большого объёма (3200-5500 м³) оборудованы четырьмя чугунными лётками, работающими попеременно, и одной шлаковой лёткой. Выпуск чугуна и шлака из доменной печи включает в себя следующие операции: 1) открытие чугунной лётки (в необходимых случаях в шлаковой); 2) обслуживание, связанное непосредственно с вытеканием чугуна и шлака; 3) закрытие чугунной лётки (если шлак выпускали через шлаковую, то и шлаковой); 4) ремонт лётки и желобов.

2.2 Описание технологического процесса

Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.

В химическом отношении процесс является восстановительно-окислительным; из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.

Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа. Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе - своеобразное очертание, называемое профилем.

Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000-1200⁰С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар.

Кокс поступает в горн нагретым до 1400-1500⁰С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800-2000⁰С, поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200-450⁰С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14-20%.

Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными порциями - подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5-8 минут по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.

В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем - в металлическое железо по схеме: Fe₂O₃ > Fe₃O₄ > FeO> Fe.

Свежевосстановленное железо заметно науглераживается еще в твердом состоянии. По мере науглераживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 - 1100⁰С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы - кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4% углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 - 1150⁰С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса - и зола.

При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полотна удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.

Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак - через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак). Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.

Расчет доменной шихты производиться при проектировании доменных печей, изменении условия плавки, замене одних материалов другими, при переводе печи на выплавку другого вида чугуна.

Расчёт шихты сводиться к определению расхода отдельных материалов для выплавки единицы чугуна заданного состава, определённого состава шлака, обеспечивающего свойства, необходимые для выплавки данной марки чугуна и ровной высокопроизводительной работы печи. Расчет обычно выполняется на единицу выплавляемого чугуна. При необходимости ввода в шихту нескольких сортов руд или их заменителей соотношение между ними должно устанавливаться из условия обеспечения требуемого среднего содержания железа или др. элементов в смеси или в соответствии с планом их на завод.

В соответствии с содержанием отдельных элементов в чугуне и распределением между чугуном, шлаком и газом определяется расход материалов (железная руда, агломерат, окатыши, марганцевая руда), содержащих эти элементы, на единицу чугуна (без учета влаги и выноса). Затем выбирается (задается) основность шлака для обеспечения необходимых свойств, в том числе и его обессеривающие способности и определяется расход флюса на единицу чугуна.

После определения количества всех шлакообразующих рассчитывается выход шлака и содержание в нем отдельных составляющих.

Приняв величину коксовой подачи, определяют расход в подачу отдельных составляющих шихты, причем расходы каждого из них берутся с учетом выноса влаги. Для перехода от расчета на единицу чугуна к расчету в подачу полученные величины расходов материалов необходимо увеличить, на отношение принятой величины коксовой подачи к удельному расхода кокса.

Расчет количества дутья может быть основан на балансе азота, кислорода и углерода или кислорода и азота. Взятый за основу расчет количества дутья по балансу кислорода и углерода базируется на том, что часть углерода кокса и углесодержащих добавок, подаваемых в печь газифицируются при прямом восстановлении кремния, марганца, фосфора и железа, при десульфурации чугуна, а также переходит в чугун и расходуется на образование метана. Остальная часть углерода окисляется кислородом дутья до СО. Отсюда определяется необходимое количество кислорода, а при известном содержании его в дутье - количество последнего.

Расчет количества и состава колошникового газа основан на балансе элементов, входящих в состав образующих его компонентов. Водород, поступающий в доменную печь, переходит в газ в виде паров воды при восстановительных процессах, в виде метана, а остальное его количество переходит р. колошниковый газ вне соединений с другими элементами. Количество диоксида углерода в колошниковом газе определяется по его содержанию в шихтовых материалах, продуктах их разложения, а также образованию в реакциях восстановления оксидов. Содержание оксида углерода в колошниковом газе определяется исходя из количества его образования при горении углерода в горне печи, вносимого с шихтовыми материалами, в реакциях прямого восстановления с учетом расхода на реакции косвенного восстановления.

Материальный баланс доменной плавки для работающей доменной печи составляется по результатам измерений и анализов, для чего по возможности точно учитывается за определенный отрезок времени (обычно за несколько суток) расход всех материалов, загружаемых в печь, и полученных продуктов плавки, на основе которого определяется расход каждого материала и выход шлака, колошникового газа и пыли на единицу чугуна.

При расчете материального баланса для проектируемых условий оказывается достаточно данных, полученных расчетами шихты, колошникового газа и дутья.

Баланс должен сходиться с весьма малой (до 1%) невязкой. Увеличение ее является результатом неправильного анализа сырых материалов (сумма содержания компонентов не составляет 100%) или ошибок в расчетах.

Тепловой баланс характеризует экономичность работы доменной печи и учитывает соотношение количества тепла, образующегося в доменной печи в результате протекания тех или иных процессов, вносимого в доменную печь с шихтовыми материалами и дутьем с количеством тепла, расходуемого на эндотермические процессы, уносимого с продуктами плавки и теряющегося в окружающую среду и с охлаждающей водой. Но данным теплового баланса вычисляется одна из важнейших характеристик работы доменной печи тепловой коэффициент полезного действия, равный отношению используемого тепла к выделившемуся. При этом за неиспользуемое в доменной печи тепло принимают его потери с колошниковым газом, пылью, охлаждающей водой и во внешнее пространство. Обычно значение теплового коэффициента полезного действия при выплавке передельного чугуна составляет 78-87%.

2.3 Устройство топливосжигающего устройства

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо, которое служит не только горючим для нагрева шахты и ее расплавления, но и химическим реагентом для восстановления железа из руды. Естественные виды топлива не обладают необходимыми свойствами, так как они спекаются и недостаточно прочны. Поэтому для доменной плавки применяют твердое топливо - кокс. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000-1200°С (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов. Для коксования используют смесь углей, взятую в определенном соотношении. В процессе коксования угольная масса размягчается и из нее начинают выделяться газообразные продукты, а затем она спекается в пористую массу. При выделении газов в процессе коксования эта масса растрескивается и распадается на куски. Газообразные продукты удаляются из печи и направляются в химическое отделение, где из них извлекают бензол, фенолы, каменноугольную смолу и другие ценные продукты. Процесс коксования длится 15 -20 ч. Затем кокс удаляют из печи и тушат водой или инертным газом. В коксе содержится 80 - 88% С; 8 -12% золы; 2 - 5% влаги; 0,5 - 1,8% S; 0,02 - 0,2% Р и до 1,2% летучих продуктов. Важными для доменной плавки показателями качества кокса являются зольность и содержание серы, которые должны быть минимальными. Сера - вредная примесь. В процессе плавки она может переходить в металл и ухудшать его свойства. Важное значение для хода плавки имеет размер кусков кокса - кусковатость. Размер кусков кокса должен быть 25 - 60 мм. Кокс должен обладать также высокой механической прочностью, чтобы не разрушаться в доменной печи под действием массы шихтовых материалов. Теплота сгорания кокса составляет обычно 29,3 МДж/кг. При доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным топливом.

Рисунок 2. Схема для нагрева доменной печи

2.4 Применение печи

Доменное производство, производство чугуна восстановительной плавкой железных руд или окускованных железорудных концентратов в доменных печах. Доменная печь - отрасль чёрной металлургии. Доменная печь предназначена для выплавки железа из железной руды. На заключительной стадии процесса плавки железо соединяется с углеродом и превращается в чугун - сплав железа и углерода, содержащий от 2,14 до 6,67% углерода.

Примерно во втором тысячелетии до нашей эры человек овладел искусством получения железа из руды. Сначала для этого использовались костры, позже - специальные плавильные ямы - сыродувные горны. В них помещались руда и древесный уголь. Необходимый для горения воздух первоначально подавался естественной тягой, а затем при помощи мехов. В результате получалось железо в виде тестообразной массы с включениями шлака и несгоревших остатков древесного угля. Из-за низкого содержания углерода сыродувное железо было мягким, изделия из него легко тупились, гнулись, оно не закаливалось.

Постепенно процесс выплавки железа совершенствовался: улучшалась форма горнов, повышалась их мощность. Горны превратились в небольшие печи - домницы (от древнерусского дъметь - дуть). Развитие домниц привело к появлению небольших доменных печей. Часто вместо железа в доменных печах получали высокоуглеродистый сплав, не поддававшийся ковке из-за повышенной хрупкости. Его считали браком. В разных языках сохранились названия, свидетельствующие об отношении к чугуну. В Англии его называли «pig-iron» - свиное железо, русское название произошло от «чушка» - свинья.

Отношение к чугуну изменилось после открытия кричного передела. Он осуществлялся в кричном горне. На слой горящего древесного угля помещали чушки чугуна. Плавясь, чугун стекал вниз и, проходя через окислительную среду, скапливался на поду горна. Там он под окислительным воздействием железистого шлака дополнительно обезуглероживался. В результате образовывалась крица - твердая губчатая масса железа с низким содержанием углерода, кремния, фосфора и серы. После извлечения крицы из горна ее проковывали с целью уплотнения и избавления от шлака.

Позже высокие литейные свойства чугуна стали использоваться для производства артиллерийских орудий, ядер, колонн. До II половины 18 века чугун выплавляли непосредственно из руды в доменных печах. Позже его стали производить из литейного чугуна и лома в небольших доменных печах. Такие печи стали прототипами появившихся во второй половине 18 века вагранок. Из-за постепенного истощения запасов леса для производства древесного угля требовалось новое топливо для выплавки металла.

В 1621 году англичанин Дод Додлей оформил патент на производство чугуна с применением каменного угля. В патенте указывалось, что «Додлей открыл секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля».

В ходе дальнейшей ожесточенной борьбы с предпринимателями, производившими чугун на древесном угле, Додлей разорился и был вынужден прекратить работу по усовершенствованию выплавки чугуна.

К использованию в доменном производстве каменного угля, вернулись лишь в 18 веке. Эту проблему решали металлурги, владельцы железоделательного завода - отец и сын Дерби. Первые попытки непосредственно использовать каменный уголь в домне не дали результатов, так как уголь содержал большое количество золы и других примесей, особенно серы. Поэтому для выплавки чугуна Абрахам Дерби-младший стал использовать кокс - твердое топливо повышенной прочности. Кокс получали путем нагрева каменного угля до температуры 950-1050°С без доступа воздуха. Несколько месяцев Дерби-младший добивался нужного сочетания всех условий, необходимых для выплавки чугуна на минеральном топливе. Он испытывал разные марки углей, менял температурные режимы коксования, подбирал флюсы для отшлаковывания примесей.

Наконец в 1735 году была произведена первая удачная доменная плавка на коксе. Сначала кокс выжигался в кучах, как и древесный уголь. В конце 18 века было освоено коксование в полузакрытых камерах, а в 1830 году - в закрытых. Использование кокса требовало увеличения количества воздуха, подаваемого в доменную печь. Дерби произвел на своем заводе полное переустройство воздуходувных устройств, применив для привода воздуходувок паровую машину Ньюкомена. Она приводила в действие насосы, которые дважды подавали отработанную воду на водяные колеса, являющиеся двигателем воздуходувных мехов. Это позволило увеличить объем воздуха, подаваемый в домну.

В дальнейшем техника подачи воздуха в домну продолжала совершенствоваться. Росла мощность двигателей, приводивших в движение воздуходувные устройства. Вместо клинчатых мехов стали применяться цилиндрические. Первым их внедрил И.И. Ползунов. Он же впервые использовал в качестве двигателя для воздуходувной машины пароатмосферную машину.

В Англии воздуходувные машины были применены в доменном производстве в 1782 году. С тех пор шло непрерывное совершенствование воздуходувных устройств. В середине 19 века начали внедряться центробежные воздуходувки, обеспечившие доменное производство необходимым количеством воздуха. Эффективность новых способов подачи воздуха во многом зависела от применения в качестве двигателя для воздуходувок паровых машин. В 1775 году впервые успешно внедрил паровую машину в доменное производство английский инженер Вилькинсон. Для этого он купил одну из первых машин Уатта. Применение новых систем подачи воздуха позволило значительно увеличить размеры доменных печей и ускорить процесс плавки в доменных печах, это привело к резкому повышению выплавки чугуна. В дальнейшем производительность доменных печей росла за счет подогрева воздуха, подаваемого в домну. Доменный воздухонагреватель впервые применил Дж. Нильсон на заводе Клайд (Шотландия). При первых же опытах нагрев воздуха до 150-300°С позволил снизить примерно на 40% расход топлива и резко повысить производительность домен. В 1857 году англичанин Э. Каупер предложил воздухонагревательное устройство, работавшее на основе использования тепла отходящих газов доменной печи.

Современная домна - это огромное сооружение высотой с 30-этажный дом. Она оборудована сложнейшими машинами и приборами. В ней плавят, как правило, не железную руду, а окатыши или агломерат. Они загружаются в печь слоями, перемежаясь коксом. Так же послойно в домну загружают флюсы - известь и другие вещества. Они заставляют пустую породу и другие ненужные вещества, образующие шлак, всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак сливают в специальный ковш. Кокс, агломерат (или окатыши) и флюс называются одним словом - шихта.

Домна по форме похожа на большую башню, круглую в плане. Она состоит из 3-х частей: верхняя - колошник, средняя - шахта и нижняя - горн. Внешняя оболочка домны - это прочный стальной кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичом. Кожух непрерывно охлаждается водой. Шихта загружается в домну через колошник порциями по несколько тонн. Она поступает туда из бункера - склада, куда доставляются агломерат или окатыши, кокс и флюсы. В бункере при помощи автоматизированных вагонов-весов смешивается шихта. Шихта из бункера в колошник подается либо транспортерами, либо (в старых домнах) вагонами-скипами.

Под действием собственного веса шихта опускается и проходит через всю домну. В шахте она омывается газами, образующимися при сгорании кокса. Нагревая шихту, газы вытекают из домны через колошник.

Основная часть доменного процесса происходит в горне. В кожухе домны имеются отверстия, в которые вставлены фурмы - специальные приборы, назначение которых - подавать в печь сжатый горячий воздух. В фурмах имеются специальные окошки, через которые доменщики могут следить за процессом плавки. Внутри фурм сделаны специальные каналы, по которым течет вода для охлаждения. Горячий воздух дополнительно нагревает шихту. Это позволяет снизить расход кокса и повысить производительность домны. Кроме кокса в качестве источника тепла применяют мазут или природный газ. Воздух перед подачей в фурмы нагревается в воздухонагревателях - кауперах. В горне температура достигает 2000°С. При такой температуре руда полностью расплавляется. При горении кокса образуется углекислый газ, при высокой температуре превращающийся в оксид углерода СО. СО, отнимая у железной руды кислород, восстанавливает железо из оксида. Помимо железа в домне происходит восстановление кремния и марганца. Сера, попадающая в доменную печь в основном вместе с коксом, частично соединяется с кислородом и водородом и переходит в газ. Но большая часть серы остается в шихте в виде FeS и CaS. При этом FeS растворяется в чугуне. Для его удаления из чугуна добавляют шлаки, содержащие повышенное количество СаО.

Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун. Жидкий чугун скапливается на дне горна, а более легкий шлак собирается на поверхности. После того как в горне скопится достаточное количество чугуна, его выпускают через летки - специальные отверстия в нижней части горна. В первую очередь через верхнюю летку выпускают шлак, затем через нижнюю - чугун. Из леток чугун сливают в канавы, откуда его потом сливают в установленные на железнодорожных платформах чугуновозные ковши.

Чугун, предназначенный для производства отливок (литейный чугун), направляется в разливочную машину. Там он застывает в виде брусков - чушек. Чугун, который впоследствии будет переработан в сталь (передельный чугун), перевозится в сталеплавильный цех, где переплавляется в сталь. Когда-то считавшийся вредным продуктом при выплавке железа чугун стал одним из основных конструкционных материалов современности. Он широко применяется как литейный сплав, заменяя иногда более дорогостоящие сплавы из цветных металлов. По прочности некоторые чугуны не уступают углеродистой стали. Во второй половине 20 века стал изготавливаться легированный чугун с добавками других металлов: алюминия, никеля, вольфрама, хрома. Добавки придают чугуну особые свойства: износостойкость, жаропрочность, коррозиостойкость. Основные виды чугуна различаются по форме включений графита. Наиболее применяемой разновидностью чугуна является серый чугун. В нем есть включения графита пластинчатой формы. Серый чугун применяется для деталей, испытывающих высокие нагрузки. В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом для деталей простой формы, работающих на износ. Для повышения износостойкости белый чугун легируют хромом, вольфрамом и молибденом. В половинчатом чугуне часть углерода содержится в виде графита, часть - в виде карбидов. Он применяется для деталей, работающих в условиях сильного трения (например тормозные колодки), или для деталей, требующих повышенной износостойкости. Ковкий чугун изготавливают из белого чугуна, подвергая его отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Его используют в основном, в автомобиле - и тракторостроении. Высокопрочный чугун обладает хорошими литейными свойствами, применяется для замены стальных деталей (коленчатые валы двигателей). В высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную или вермикулярную форму. Высокопрочный чугун с вермикулярным графитом применяется в дизелестроении.

3. Расчет теплового баланса печи

Расчет статей прихода тепла.

1) Тепло, вносимое шихтой, кДж;

Q_ш•G•d_ш•c_ш•t_ш (3.1)

Q_ш=195000 • 0,97 • 0,469 • 20 = 177422 кДж = 0,177422 ГДж

где G - емкость сталеплавильной печи, кг;

d_ш - доля металла в шихте (d_ш =0,97);

с_ш - теплоемкость шихты (с_ш =0,469 кДж/(кгК));

t_ш - температура шихты (t_ш =20 ⁰С)

2) Тепло, вносимое электрическими дугами, ГДж;

Q_д=з_эл•W_эл•10^-6 (3.2)

где з_эл - электрический к.п.д., равный 0,87-0,92;

W_эл - используемая в печи электроэнергия, кДж.

Тепло экзотермических реакций, МДж;

С > СО2	195000 · 0,074=14430
С > СО	195000· 0,053=10335
Si > SiO2	195000· 0,092=17940
Mn > MnO	195000 · 0,0249=4855,5
Fe > Fe2O3	195000 · 0,0098=1911
Fe > FeO	195000 · 0,0248=4836
Fe > Fe2O3 (в дым)	195000 · 0,2211=43114,5
Итого:	Qэкз=97442 МДж=97,442 ГДж

Тепло шлакообразования;

SiO₂ > (CaO)₂ SiO₂, МДж; Q_шл=G · 0.01474

Q_шл.обр=195000 · 0,01474=2880,15 МДж=2,88015 ГДж

Расчёт статей расхода тепла.

1 Физическое тепло стали, кДж

O _ст=d_ст•O•(С_ст.тв•t_пл.ст+L_cт+С_ст.ж(t_cт-t_пл.ст) (3.3)

где d_cт-выход стали (dcт=0.91-0.97)

С_тв.ст-удельная теплоёмкость твёрдой стали в интервале температур 0-1500⁰С

(С_тв.ст =0,7 кДж/(кг•К)).

С_ст.ж-удельная теплоёмкость жидкой стали в интервале температур 1500-1600⁰С

(С_ст.ж =0,837 кДж/(кг*К));

(t_cт-t_пл.ст) - интервал температур плавления стали (1600-1500⁰C)

L_ст-скрытая теплота плавления стали (L_ст=272,16 кДж/кг)

O_стал=0,91•195000•(0,7•15000+272,16+0,837•100)=2494698кДж=249,4698ГДж

2 Физическое тепло стали, теряемой со шлакам, кДж;

Q_ст-шл=d_щл•G(c_cт.тв•t_пл.ст+L_ст+с_ст.ж•(t_ст-t_пл.ст)) (3.4)

Q_ст-шл=0,005•195000•[0,7•1500+272,16+0,837•100]=1,370031 кДж;

3 Физическое тепло шлака, кДж;

O_шл=d_щл•G•(c_шл•t_шл•L_шл) (3.5)

O_шл=0,005•195000•(1,25•1700+209,35) =227599 кДж =2,27599 ГДж

Где c_шл-удельная теплоёмкость шлака при температуре 1700⁰С

(c_шл=1,25 кДж/(кг•К));

L_шл-скрытая теплота плавления шлака (L_шл-209,35 кДж/кг)

t_шл-температура щлака (1700⁰С)

4 Тепло, уносимое газообразными продуктами реакций с температурой t_ух=1500⁰

O_ух=295•G (3.6)

O_ух=295•195000=57525 Дж=0,057525Г

5 Тепло, уносимое частицами Fe2O3, кДж;

Q_Fe2O3=d_Fe2O3•G•(c_Fe2O3•t+L_Fe2O3) (3.7)

Q_Fe2O3=0,04•195000•(1,23•1500+209,34)=16023852 кДж=16,0238 гДж

где с _Fe2O3-удельная теплоёмкость Fe2O3 при температуре 1500⁰С

(с _Fe2O3=1,23 кДж/(кг•К));

L_Fe2O3-cкрытая теплота плавления Fe2O3 (L_шл=209,34 кДж/кг)

d_Fe2O3-доля Fe2O3, уносимое с дымом(d_Fe2O3=0,04-0,05)

6 Принимая температуру в цехе (Тос) равной 300С потери тепла через стены печи для ёмкости 100000 кг (100 т) составляют, гДж;

O_тепл1=9,54 ГДж (3.8)

Х=195000•4,896:100000=9,54

7 Принимая потери тепла через свод печи для ёмкости 100000 кг(100т) ГДж

O_тепл2=4,293 ГДж (3.9)

Х=195000•4,293:100000=8,37

8 Принимаем потери тепла через подину печи для ёмкости 100000 кг (100т), ГДж;

O_тепл3=1,205 ГДж (3.10)

Х=1,205•195000:100000=2,34 ГДж

9 Подсчитываем общие потери тепла теплопроводностью через футеровку печи. Они выражаются суммой потерь тепла через стены свод и подину печи.

Q_тепл=Q_тепл1+Q_тепл2+Q_тепл3 (3.11)

O_тепл=9,54+8,37+2,34=20,25 ГДж

10 Потери тепла в период межплавочного простая (потери тепла излучением через раскрытый свод, потери с газами, с охлаждающей водой и теплопроводностью через футеровку печи), ГДж;

O_мп=(O_тепл+ O_охл+0,5• Q_ух)•k_н?ф_n/ф_p (3.12)

O_мп=(20,25+12+0.5•0,0575)•1.1•216095:04=8,069 ГДж

где K_r-коэффициент неучтенных потерь, k_н=1,1-1,2

ф_p=9504: ф_n=2/60 сек: Q_охл=12Г

11 Расход электроэнергии найдём из уравнения теплового баланса периода расплавления дуговой сталеплавильной печи:

O_прих=O_расх (3.13)

0,17742+Q_д+97,442+2,880=249,4698+1,370031+2,27599+16,0238+20,25+ 8,066

51,76 ГДж+196,96 ГДж=248,72 ГДж

O_д=297,45-100,49=196,96 ГДж.

Заключение

В данной курсовой работе охарактеризована доменная печь её история, первая доменная печь в Казахстане - 3 июля 1960 года доменная печь №1 выдала первый казахстанский чугун, разливку первого чугуна производила бригада №3, в которой работал горновым будущий Первый Президент Казахстана Нурсултан Назарбаев. Руководил первой плавкой начальник доменного цеха Вадим Романов. Старший горновой Ахат Набиуллин пробил летку, и по желобу пошел первый казахстанский чугун.