Среди металлов чёрные металлы и, в первую очередь, железо, которое лежит в основе получения чугуна и стали, по своему значению занимают особое место. В общем мировом производстве металлов 90 % приходится на производство железа и его сплавов. Объём производства чугуна и стали является мерилом экономического развития государства. Преимущественным применением в самых разнообразных областях техники и в быту чёрные металлы обязаны своим ценными физическими и механическими свойствами, а также широкому распространению в природе железных руд и сравнительной простоте и дешевизне производства чугуна и стали.

Производство чугуна в настоящее время в основном осуществляется доменной плавкой, которая производится в доменных печах. Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Современная, наибольшая по размерам, доменная печь ежесуточно расходует около 23000 т шихты, 18000 т дутья, 1700 т природного газа и выдает 12000 т чугуна, 4000 т шлака и 27000 т колошникового газа. Таким образом, в большой доменной печи ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Доменный процесс является сложным и для правильного его ведения и обеспечения высоких технико-экономических показателей необходимо, чтобы сырье для доменной плавки было высокого качества и поэтому его подготовке уделяется большое внимание. В зависимости от характеристики добываемой руды в настоящее время применяют несколько основных методов подготовки руды, таких как дробление, сортировку, обогащение, усреднение, окускование.

доменный процесс плавка печь

Чугун является исходным материалом для получения стали, которую получают путём переработки чугуна в различных металлургических агрегатах. В настоящее время получил наибольшее распространение, и является доминирующим, мартеновский способ получения стали из чугуна.

1. Теоретические основы доменной плавки

1.1 Сырые материалы и их подготовка

Водные оксиды железа представлены в рудах главным образом минералами лимонитом 2Fe₂О₃ • ЗН₂О и гетитом Fe₂О₃ • Н₂0. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками. Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд других типов. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцем. В добываемых рудах содержится 37-55 %, а чаще 37-40 % Fe. Они характеризуются повышенным содержанием фосфора (0,5-1,5 %), иногда в них присутствует в небольшом количестве ванадий (0,03-0,06 %).

Бурый железняк наиболее распространен в земной коре. Обычно он беден и влажен, к тому же трудно поддается обогащению, поэтому его используют сравнительно в небольшом количестве.

Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится 30-40 % железа.

Промышленно используемым является также минерал ильменит FeTiО₃, встречающийся в сочетании с магнетитом. Руды, в которых преобладает ильменит, называются титаномагнетитами.

1.1.2 Примеси железных руд

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные примеси (тоже в виде соединений), которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.

К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудшением технико-экономических показателей. Правда, серу можно легко удалить из руд окислительным обжигом и агломерацией.

Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.

Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свариваемость.

Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, являются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталеплавильных печах.

Ванадий и титан - полезные примеси.

Пустая порода руд в основном состоит из SiО₂, А1₂О₃, СаО и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgО) / (SiО₂ + А1₂О₃)" 1. В этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отношение значительно менее 1, то есть пустая порода руд является кислой.

1.1.3 Подготовка железных руд к доменной плавке

Чем тщательнее подготавливают руду к доменной плавке, тем выше производительность доменной печи, ниже расход топлива и выше качество выплавляемого чугуна.

В конечном итоге стремятся снабжать доменную печь шихтой, состоящей только из двух компонентов: офлюсованного железорудного сырья и кокса определенной кусковатости и не содержащих мелких фракций (ниже 5-8 мм для железосодержащей шихты и ниже 20-30 мм для кокса).

Для обеспечения хорошей газопроницаемости плавильных материалов желательно, чтобы шихта была однородной по кусковатости. Рекомендуется, чтобы диаметр самого крупного куска не превышал диаметр самого мелкого куска более чем в два раза, т.е. целесообразно давать руду или окускованную шихту кусковатостью 10-20 или 20-40 мм.

Важным резервом повышения производительности доменных печей и снижения расхода топлива является увеличение содержания железа в шихте. Его увеличение на 1 % позволяет снизить расход кокса на 2-2,5 % и на столько же увеличить производительность печи.

Кроме того, при росте содержания железа в шихте снижается выход шлака при доменной плавке, что ведет к повышению технико-экономических показателей плавки.

Для получения богатого железорудного сырья разработаны и внедрены эффективные способы обогащения железных руд. При решении вопроса об оптимальной степени обогащения железных руд нужно исходить из технико-экономических соображений.

Расчеты показывают, что для многих руд оптимальное содержание железа в концентратах для доменной плавки находится в пределах (64-67 %). Существующая подготовка шихты пока еще не удовлетворяет указанным требованиям. Поэтому повышение однородности шихты по кусковатости и химическому составу и увеличение содержания железа в шихте крайне необходимы. В зависимости от характеристики добываемой руды применяют следующие методы подготовки руды:

а) дробление;

б) сортировку;

в) обогащение;

г) усреднение;

д) окускование.

1.1.4 Флюсы и отходы производства

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы железосодержащей шихты и золы кокса в шлак требуемого химического состава, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы агломерата, окатышей или руд, а также в золу кокса (SiО₂ - 1710, А1₂О_{3 -} 2050, СаО - 2570, MgO - 2800°С), значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450-1600°С). Вместе с тем при определенном соотношении указанных оксидов образуются легкоплавкие составы, которые имеют температуру плавления ниже 1300°С и характеризуются хорошей текучестью при 1450-1600°С.

Необходимо также, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (СаО и MgO) для обеспечения требуемой десульфурирующей способности. Например, рекомендуется, чтобы в шлаках отношение (СаО + MgO): (SiО₂ + А1₂О₃) составляло около 1, а отношение SiО_2: А1₂О₃ было равно 2-4,5.

Таким образом, в зависимости от состава пустой породы руды и вида топлива нужно применять основные, кислые или глиноземистые флюсы. Добываемые руды, как правило, содержат кислую пустую породу и характеризуются приемлемым соотношением SiО₂ и А1₂О₃, поэтому по технологическим причинам обычно применяют основной флюс - известняк, состоящий из карбоната кальция СаСО₃, или доломитизированный известняк, содержащий, кроме СаСО₃ еще MgCО₃.

При доменной плавке используют также некоторые отходы производства, содержащие Fe, Мn, СаО и MgO и являющиеся заменителями железных руд и флюса. К ним относят колошниковую пыль, сварочный шлак и окалину нагревательных печей, пиритные огарки и шлаки мартеновского производства. Наиболее широко применяют колошниковую пыль, получаемую в доменных цехах. Она состоит из железосодержащих материалов и кокса, уловленных при очистке газа доменных печей. В пыли содержится 40-56 % Fe и 3-15 % С. С целью утилизации ее добавляют в шихту к рудам или концентратам при их окусковании.

1.1.5 Топливо

Основным топливом доменной плавки является кокс - кусковой пористый материал из спекшейся углеродистой (83-88 % С) массы, получающейся при прокаливании каменного угля без доступа воздуха. Вследствие своей прочности, термостойкости (способности не растрескиваться) и способности не спекаться кокс сохраняет форму кусков на всем пути движения шихты от колошника до горна. Благодаря этому кокс разрыхляет столб шихты в печи, обеспечивая необходимую ее газопроницаемость. В нижней части печи (в заплечиках и горне) только кокс остается в твердом состоянии, образуя как бы подвижную дренажную решетку (коксовую насадку), через которую в горн стекают жидкие продукты плавки, а вверх проходят газы.

Естественные твердые виды топлива не пригодны для доменной плавки вследствие низкой термостойкости и из-за склонности к спекаемости, поэтому кокс не может быть заменен другим топливом; возможна лишь частичная замена кокса газообразным, жидким и пылеугольным топливом.

Как топливо кокс, сгорая у фурм, обеспечивает доменную печь теплом, необходимым для нагрева и расплавления шихты и протекания процессов восстановления железа из оксидов. Кроме того, углерод кокса является восстановителем и служит для науглероживания железа, а продукт сгорания кокса - газ СО также является восстановителем.

Кокс содержит 83-88 % углерода; 8-13 % золы; 0,7-1,5 % летучих; 0,5-5 % влаги; 0,4-1,8 % серы; 0,02-0,05 % фосфора. Кокс хорошего качества светло-серого цвета и при ударе куска о кусок издает легкий звон. Удельное количество тепла при сгорании кокса 28000-31500 кДж/кг. Наряду с высокой теплотой сгорания кокс как доменное топливо должен обладать определенным комплексом свойств, эти основные свойства следующие:

высокая прочность, чтобы кокс не был раздавлен столбом вышележащей шихты в печи и не истирался при движении от колошника до фурм, а также высокая термостойкость, чтобы он не растрескивался при нагреве. В случае измельчения в печи кокса сильно снижается газопроницаемость шихты;

малое содержание золы, основными составляющими которой являются SiО₂ и А1₂О₃. Для их ошлакования необходимо увеличить расход флюса, что увеличивает количество шлака;

неспекаемость в условиях доменной плавки;

определенный размер кусков - от 25 до 60 мм; загружать в печь более мелкий кокс недопустимо, так как при этом ухудшается газопроницаемость шихты;

высокая пористость, благодаря чему достигается высокая скорость сгорания кокса. Обычно пористость кокса находится в пределах 37-53%.

Кокс является дорогостоящим и дефицитным материалом, поскольку запасы коксующихся углей во многих странах невелики.

В связи с этим в последние годы при доменной плавке часть кокса заменяют природным газом, мазутом или пылевидным топливом. Природный газ содержит 90-98 % углеводородов (главным образом, СН₄ и С₂Н₆) и небольшое количество азота (около 1 %, а в газе Ишимбайского месторождения до 10 %).

Мазут представляет собой тяжелый остаток прямой перегонки и крекинга нефти. Горючая масса мазута содержит 84-88 % С, 10-12 % Н₂, 0,3-0,5 % 0₂ и 0,5-4 % S. В качестве пылевидного топлива обычно используют молотый каменный уголь.

1.2 Конструкция доменной печи

1.2.1 Общее описание печи

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество шихты и дутья. Для обеспечения непрерывной подачи и выпуска столь большого количества материалов необходимо, чтобы конструкции печи были просты и очень надежны.

Доменная печь - печь шахтного типа (рисунок 1). Сверху в печь порциями непрерывно загружают шихтовые материалы - агломерат (окатыши) и кокс, которые медленно опускаются вниз; длительность их пребывания в печи составляет 4-6 ч. В нижнюю часть печи (верх горна) через фурмы подают дутье - нагретый воздух; у фурм за счет кислорода дутья сгорает кокс с выделением тепла, а горячие продукты сгорания движутся через столб шихты вверх, нагревая ее; время пребывания газов в печи составляет 3-12 с. При опускании нагревающейся шихты в ней из оксидов восстанавливается железо, которое науглероживается, расплавляется и каплями стекает в горн, формируя чугун, а невосстановившиеся оксиды в нижней части печи (низ шахты, распар) расплавляются, образуя шлак, который также стекает в горн. Накапливающиеся в горне чугун и шлак, имеющие температуру 1450-1500°С, периодически выпускают через чугунные и шлаковые летки.

Общий вид доменной печи, оборудованной двухконусным засыпным аппаратом, показан на рисунке 1. Печь опирается на фундамент 1, большая часть которого заглублена в землю. Снаружи печь заключена в сплошной стальной кожух 9. Внутри кожуха находится футеровка 8, охлаждаемая холодильниками, которые крепятся к внутренней поверхности кожуха. В нижней части печи (горне) расположены летки 3 для выпуска чугуна и летки 21 для выпуска шлака.

Вокруг печи проложен кольцевой футерованный воздухопровод 6, в который из воздухонагревателей подается горячее дутье (воздух); кольцевой воздухопровод служит для подвода дутья к многочисленным расположенным по окружности печи фурменным устройствам 5, через которые дутье поступает в верхнюю часть горна. Выше колошника 10 печи расположено колошниковое устройство.

Оно включает газоотводы 15, 19, служащие для отвода из печи доменного газа; засыпной (загрузочный) аппарат и ряд других механизмов, связанных с загрузкой шихты и отводом газа. Показаны элементы засыпного аппарата: большой конус 11, закрывающий воронку (чашу) 20; малый конус 12, закрывающий воронку 17, и механизм 13, обеспечивающий их вращение; приемная воронка 14, в которую шихтовые материалы высыпают из скипа 16 путем его опрокидывания, причем скип доставляют на колошник по рельсам наклонного моста 18.

1 - фундамент; 2 - колонна; 3 - летка для выпуска чугуна; 4 - чугунные желоба; 5 - фурменные устройства; 6 - кольцевой воздухопровод; 7 - мараторное кольцо кожуха; 8 - футеровка; 9 - стальной кожух; 10 - колошник; 11 - большой конус; 12 - малый конус; 13 - вращающий механизм засыпного устройства; 14 - приемная воронка; 15,19 - газоотводы; 16 - скип; 17 - воронка; 18 - наклонный мост; 20 - воронка (чаша); 21 - летка для выпуска шлака; 22 - площадка

Рисунок 1 - Общий вид доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом.

Тяжесть кожуха и футеровки верхней части печи передается на фундамент через мараторное кольцо 7 кожуха и колонны 2. Выпускаемый из печи через летки 3 жидкий чугун поступает в располагаемые на рабочей площадке 22 чугунные желоба 4 и по ним в чугуновозные ковши; выпускаемый через летки 21 шлак по расположенным на площадке 22 шлаковым желобам стекает в шлаковозные ковши либо на установки припечной грануляции жидкого шлака.

1.2.2 Профиль печи

Профилем доменной печи называют очертание рабочего пространства, ограниченного футеровкой. В горизонтальных (поперечных) сечениях профиль представляет собой окружности переменного диаметра. Профиль печи в вертикальном осевом сечении представлен на рисунке 2; основные элементы профиля - это горн, заплечики, распар, шахта и колошник, составляющие полезный объем печи, т.е. объем от оси чугунной летки - О.Ч. Л - до низа подвижных элементов засыпного аппарата в опущенном положении (в полезный объем не входят объем 1 нижней части горна от оси чугунной летки до кладки лещади, где находится несливаемый слой жидкого чугуна, и ограниченный куполом 3 печи объем 2, в котором расположены элементы засыпного аппарата).

Рисунок 2 - Профиль доменной печи

Колошник имеет форму цилиндра и служит для приема загружаемой сверху шихты. Ниже колошника расположена расширяющаяся книзу шахта; это расширение необходимо, чтобы обеспечить свободное опускание шихтовых материалов, объем которых увеличивается в результате нагрева. Распар, представляющий собой короткий цилиндр, служит для создания плавного перехода от расширяющейся шахты к сужающимся заплечикам. Заплечики выполнены в виде усеченного конуса; такая их форма необходима, поскольку здесь происходит плавление рудной части шихты, в результате чего объем шихты уменьшается и суживающиеся заплечики не позволяют шихте слишком быстро опускаться в горн. Последний имеет цилиндрическую форму, в нижней его части скапливаются жидкие чугун и шлак, а в верхнюю подают дутье и здесь сгорает топливо (кокс).

Основные размеры профиля печи - это полезная высота, высота и диаметр отдельных элементов профиля, полная высота печи. Полезной высотой Н (рисунок 2) называют расстояние от оси чугунной летки до низа большого конуса 5 или низа вращающегося распределителя шихты (лотка) в опущенном положении. Полная высота печи Н_п (рисунок 2) - расстояние от оси чугунной летки до верхней кромки колошникового фланца 4, который служит опорой засыпного аппарата.

Оптимальные соотношения между размерами выработаны на основании многолетнего опыта эксплуатации печей.

1.2.3 Фундамент, кожух и холодильники

Фундамент является основанием печи и служит для передачи нагрузки, создаваемой массой печи на грунт. Площадь фундамента рассчитывают с учетом массы печи и того, что давление на грунт не должно превышать 2,5 кг/см².

Фундамент состоит из двух частей нижней, подземной, называемой подошвой, и верхней, называемой пнем. Подошву выполняют из бетона, а пень - из жароупорного бетона с огнеупорностью 1400-1500⁰С.

Подошву делают в виде восьмиугольной плиты толщиной 4-6 м, толщина пня составляет 2-3,5 м. От перегрева и термического разрушения фундамент на современных печах предохраняют путем воздушного охлаждения низа лещади.

Кожух доменной печи представляет собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрических и конических поясов, изготовленных из стального листа. Толщина кожуха в верхней части составляет 20-40, в нижней 40-60 мм. Делают кожух из сталей с высокой ударной вязкостью, прочностью, пластичностью, термостойкостью.

В кожухе печи делают вырезы для фурм, чугунных и шлаковых леток, для горизонтальных холодильников (если они имеются), а также отверстия для болтов крепления вертикальных холодильников и для трубок, подводящим к ним воду.

Холодильники служат для охлаждения футеровки и кожуха печи с помощью пропускаемой через них холодной технической воды, а при испарительном охлаждении - с помощью кипящей химически очищенной воды. Широко применяются плитовые холодильники, располагаемые вертикально между кожухом и футеровкой. Холодильник - это плита из чугуна с залитой в ней стальной трубкой в виде змеевика для циркулирующей воды. Холодильник крепят к кожуху печи с помощью болтов. Находят применение горизонтальные холодильники; их горизонтально располагаемая плита заглублена в футеровку, усиливая ее охлаждение, и служит опорой для кирпичной кладки.

1.2.4 Футеровка печи

Огнеупорная футеровка (кладка) доменной печи предназначена для уменьшения тепловых потерь и предохранения кожуха от воздействия высоких температур и от контакта с жидким металлом и шлаком.

Для футеровки доменной печи применяют качественный (доменный) шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, углеродистые блоки, иногда карбидокремниевый кирпич. Основу шамота составляют SiО₂ и А1₂О₃. Для доменных печей стандартом предусмотрено три сорта шамотных изделий с содержанием А1₂О₃ соответственно не менее 42, 41 и 39 %; они отличаются повышенной плотностью и прочностью, высокой огнеупорностью (> 1750°С), низким содержанием Fe₂0₃ (< 1,5 %). Кирпич с более высоким содержанием А1₂О₃ применяют для кладки низа печи, а с более низким - для кладки верха. Кроме того, для кладки печей объемом <= 1033 м³ стандартом предусмотрена марка шамота с меньшим 37 % содержанием А1₂0₃, меньшей огнеупорностью (> 1730°С), прочностью и плотностью. Кирпич может быть длиной 230 мм (нормальный) и 345 мм (полуторный). Применение кирпичей различной длины обеспечивает хорошее переплетение швов кладки.

Высокоглиноземистый муллитовый кирпич, применяемый для кладки лещади, содержит > 63 % А1₂О₃ при огнеупорности > 1800°С. Доменный карбидокремниевый кирпич содержит >12 % SiC и > 7 % азота и отличается от огнеупоров на основе А1₂О₃ и SiО₂ заметно большей прочностью и теплопроводностью.

Углеродистые блоки изготовляют из кокса и обожженного антрацита с добавкой в качестве связующего небольшого количества каменноугольного пека.

Швы между огнеупорными кирпичами заполняют раствором, изготовленным из мертелей, соответствующих классу кирпича. Мертель - это порошок, состоящий из измельченного шамота и огнеупорной глины.

Футеровку горна до уровня фурм выполняют из углеродистых блоков, а в районах фурм и чугунных и шлаковых леток из шамотного (>42 % А1₂О₃) кирпича, поскольку углерод здесь может окисляться кислородом дутья, диоксидом углерода (СО₂), а также парами воды из огнеупорных масс. При работе на безводных леточных массах район чугунных леток делают из углеродистых блоков. Для предотвращения окисления углеродистых блоков в период задувки печи их защищают кладкой в один ряд из шамотного кирпича.

Толщина футеровки у низа горна достигает 1600 мм. Снаружи кладку горна охлаждают гладкими плитовыми холодильниками.

Кладку заплечиков чаще всего делают тонкостенной (толщина 230 или 345 мм) из шамотного (>42 % AI2O3) кирпича в один ряд, при этом кирпич примыкает к периферийным плитовым холодильникам с залитым кирпичом. Иногда вместо шамота применяют карбидокремниевые кирпичи.

Кладку распара и охлаждаемой части шахты (~2/3 ее высоты снизу) выполняют из шамотного (> 41-42 % А1₂О_э) или карбидокремниевого кирпича, а кладку верхней неохлаждаемой части шахты из шамота, содержащего > 39 % А1₂О₃. Кирпичи укладывают в два-три ряда вперевязку.

Футеровка колошника состоит из одного ряда шамотного кирпича, выкладываемого у кожуха. За ним располагают "колошниковую защиту", которая воспринимает удары падающих сверху в процессе загрузки кусков шихты. Широко распространенная ее разновидность состоит из стальных сегментов - литых полых коробок, заполненных шамотным кирпичом. Сегменты расположены несколькими кольцевыми рядами по высоте колошника; соседние по окружности сегменты соединены между собой болтами. Вся колошниковая защита крепится к кожуху с помощью нескольких подвесок, в каждой из которых сегменты прикреплены к вертикальной пластине, соединенной с серьгой, которая свободно подвешена на штыре, вставленном в отверстие кронштейна; последний прикреплен к кожуху болтами. Такая подвеска позволяет всем сегментам перемещаться вверх в случае роста кладки шахты в вертикальном направлении в результате ее нагрева.

1.2.5 Горн печи

Горн условно подразделяют на две части - верхнюю фурменную зону, где сгорает кокс, и нижнюю - металлоприемник, служащий для накопления жидкого чугуна и шлака, и где расположены чугунные и шлаковые летки. Высота горна (расстояние от оси чугунной летки до заплечиков) на современных печах составляет 3,2-3,9 м.

Чугунные летки располагают на 600-1800 мм выше лещади, а находящаяся ниже леток часть металлоприемника заполнена несливаемым или "мертвым" слоем жидкого чугуна; этот слой необходим для предотвращения размывания лещади потоками чугуна в горне и предохранения ее от воздействия высоких температур.

Летка представляет собой сквозной канал в кладке горна и рамы; этот канал шириной 250-300 и высотой 400-500 мм заполнен огнеупорной леточной массой. Для выпуска чугуна в массе просверливают отверстие диаметром 50-80 мм с помощью сверлильной машины, вращающей бур. После выпуска чугуна канал летки забивают огнеупорной массой с помощью электропушки.

Шлаковые летки располагают выше оси чугунных леток на 1,4-2,0 м. На печах объемом 2700 м³ и менее имеется по две шлаковых летки, служащих для выпуска так называемого "верхнего" шлака; кроме того, часть шлака вытекает вместе с выпускаемым чугуном через чугунные летки ("нижний" шлак).

Шлаковые летки обрамляют арматурой, называемой шлаковым прибором, который помещают в проем горновых холодильников и крепят к кожуху печи. Он состоит из телескопически соединенных элементов: медной сварной или штампованной полой охлаждаемой водой фурмы диаметром 50-70 мм, литого медного полого холодильника (шлаковой амбразуры), чугунного холодильника с залитым спиральным змеевиком для охлаждающей воды, чугунной водоохлаждаемой амбразуры аналогичной конструкции и рамы, при помощи которой прибор крепится к кожуху печи. Все элементы прибора имеют коническую форму, что облегчает их замену при повреждении. Отверстие шлаковой фурмы закрывают металлической пробкой при помощи специального механического стопора. Конусную полость шлакового прибора набивают огнеупорной массой, в которой прорезают отверстие для выхода шлака из печи.

В верхней части горна на расстоянии 2700-3500 мм от оси чугунной летки горна по его окружности с равными промежутками устанавливают воздушные фурмы, через которые в печь поступает нагретое до 1100-1300°С дутье, природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Комплекс устройств, служащих для подвода дутья в горн из кольцевого воздухопровода, называют фурменным прибором. Основная часть прибора - медная пустотелая воздушная фурма с внутренним диаметром 140-190 мм, охлаждаемая водой. Фурма выступает из кладки внутрь печи на расстояние 300-500 мм.

1.2.6 Колошниковое устройство

Колошниковое устройство представляет собой многоэтажную металлическую конструкцию, служащую для поддержания комплекса механизмов, предназначенных для загрузки шихты в доменную печи (засыпной аппарат и др.), отвода газов (газоотводы) и для монтажа оборудования.

Для отвода доменного газа в куполе печи имеются отверстия и идущие от них вверх газоотводы. Обычно число газоотводов равно четырем, их соединяют вначале симметрично попарно, а затем в один газоход, идущий вниз к пылеуловителям, расположенным на нулевой отметке. От верхних точек газоотводов отходят вертикальные свечи (трубы), заканчивающиеся атмосферным клапаном, который открывается, выпуская газ в атмосферу при превышении давления в печи сверх допустимого. Число свечей с клапанами колеблется от двух до четырех, они служат также для выпуска газа при остановках печи.

Засыпной аппарат предназначен для загрузки шихты, необходимого ее распределения по сечению колошника, т.е. печи и для обеспечения герметичности печи в процессе загрузки, т.е. для предотвращения попадания в печь воздуха, ведущего к возможности взрыва, и предотвращения выделения печного газа в атмосферу.

Большая часть доменных печей оборудована двухконусными засыпными аппаратами, а новые печи сооружают с засыпными аппаратами новой конструкции - бесконусными. Слабым местом первых являются стыки конусов с соответствующими воронками. Здесь в связи с повышенным давлением в печи просачивается доменный газ и содержащаяся в нем пыль вызывает абразивный износ металла. Поэтому стойкость конусов низкая, малый конус заменяют почти через каждые полгода, а большой через 1,5-2,5 г.

Недостатком второй конструкции считают то, что сложный механизм вращения лотка расположен в куполе печи и для его охлаждения и защиты от горячих колошниковых газов требуется расходовать много (10-30 тыс. м³/ч) азота или очищенного охлажденного доменного газа; кроме этого раз в 3-4 месяца необходима кратковременная остановка печи для замены резиновых прокладок газоотсекающих клапанов.

1.3 Доменный процесс

1.3.1 Загрузка шихты и распределение материалов на колошнике

В современной доменной печи продолжительность пребывания в ней материалов составляет 4-6 ч, а газов - около 3-12 с. Высокие показатели плавки могут быть получены при хорошем распределении газов по сечению печи. Только в этом случае газы в максимальной степени отдадут физическое тепло материалам и наиболее полно будет использована их восстановительная способность. Естественно, что распределение газового потока по сечению печи зависит от сопротивления столба шихты, через которую проходят газы. Учитывая то, что газы всегда движутся по зонам с меньшим сопротивлением шихты, его в процессе загрузки регулируют, перераспределяя определенным образом порции агломерата и кокса по сечению печи с учетом того, что слой агломерата менее газопроницаем, чем слой кокса. Если этого не достигается, то основная часть газов будет двигаться по зонам с меньшим сопротивлением шихты и покидать печь с высокой температурой, т.е. с недоиспользованной тепловой энергией и с неполностью использованной восстановительной способности. В то же время в участках с большим сопротивлением шихты газов будет проходить мало и шихта будет плохо нагретой и восстановленной, что потребует дополнительного расхода тепла в нижней части печи, т.е. увеличения расхода кокса.

При загрузке прежде всего учитывают следующее: дутье поступает в печь у стен и сопротивление газам у гладких стен меньше, чем в объеме шихты, в связи с чем газы стремятся двигаться у стен. Поэтому целесообразно, чтобы у стен были толще слои менее газопроницаемого агломерата, а в центре - толще слои кокса, что способствует перераспределению газового потока к центру. По окружности же печи материалы должны располагаться равномерно.

Для управления распределением агломерата и кокса по сечению колошника применяют следующие приемы: изменение порядка набора скипов агломерата и кокса на большом конусе, использование раздельных и расщепленных подач, изменение массы подачи, ступенчатое изменение уровня засыпи на колошнике, неполное опускание большого конуса при выгрузке подачи в печь, установку подвижных плит у стен колошника.

Для повышения производительности печи и снижения расхода кокса авторы [4] предлагают способ загрузки, заключающийся в создании необходимого по технологии профиля шихты по радиусу колошника. Способ загрузки доменной печи включает многопоточную укладку шихтовых материалов на колошник, изменение радиуса укладки гребня шихтовых материалов на колошнике по ступеням путем изменения скорости вращения роторного распределителя после выгрузки заданного веса шихтовых материалов на предыдущей ступени колошника. Для этого определяют количество электричества, потребленное приводом роторного распределителя на распределение шихтовых материалов (Q, кулон), удельные затраты количества электричества на распределение 1 кг шихтовых материалов (W, кулон/кг) и вычисляют на заданной ступени колошника заданный вес загружаемых шихтовых материалов (P, кг) по выражению

P = Q/W

1.3.2 Распределение температур и удаление влаги

Помимо тепла, вносимого нагретым дутьем, основным источником тепла для нагрева шихты и газов, расплавления чугуна и шлака, обеспечения процессов восстановления и компенсации теплопотерь является тепло, выделяющееся в верхней части горна при сгорании топлива (кокса и зачастую вводимых для замены части кокса природного газа, нефтепродуктов и угольной пыли). Горячие газообразные продукты сгорания движутся из горна вверх, отдавая тепло опускающимся вниз холодным шихтовым материалам, нагревая их, а сами охлаждаются. Поэтому по мере отдаления от горна к верху температура в печи понижается с 1400-1600 до 200-350°С на выходе из колошника.

Вместе с тем, на одном и том же горизонте печи (поперечном сечении) температура не является постоянной и изменяется в довольно широких пределах. Это объясняется тем, что поднимающиеся горячие газы движутся по сечению печи неравномерно; максимальное количество газов проходит в участках поперечного сечения с меньшим сопротивлением шихты и здесь наблюдаются наибольшие температуры. При изменении режима движения газов распределение температур по высоте и сечению печи может меняться; так усиление периферийного потока газов вызовет увеличение температур у стен печи, а увеличение осевого потока - продвижение вверх зоны высоких температур в осевой части печи и наоборот.

Шихта, загружаемая в доменную печь, содержит гигроскопическую влагу (например, в коксе 0,5-5 %), а иногда гидратную влагу. Гигроскопическая влага легко испаряется на колошнике, и для ее удаления не требуется дополнительного пила, так как температура колошниковых газов выше температуры испарения влаги.

Гидратная влага появляется лишь при загрузке в печь железных руд, она находится в соединении с Fe₂О₃ (в буром железняке) или с А1₂О₃ (в каолинитах А1₂О₃ • 2SiО₂ • 2Н₂О). Эти соединения разлагаются при 400-1000°С с поглощением тепла. Однако в связи с тем что в настоящее время сырые руды почти не используются, выделение гидратной влаги заметного влияния на ход плавки не оказывает.

1.3.3 Процессы восстановления

Основная задача доменного процесса - обеспечение как можно более полного извлечения железа из этих оксидов путем их восстановления. Восстановление заключается в отнятии кислорода от оксида и получении из него элемента (или же оксида с меньшим содержанием кислорода). Его осуществляют с помощью восстановителя - вещества, к которому переходит кислород благодаря тому, что у восстановителя большее химическое сродство к кислороду, чем у восстанавливаемого элемента. Таким образом, в процессе восстановления одно вещество теряет кислород (восстанавливается), а другое приобретает его (окисляется).

В соответствии с выявленными академиком А.А. Байковым закономерностями восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим:

Fe₂О₃ - Fe₃О_{4 -} FeO - Fe

Поскольку при температурах ниже 570°С оксид FeO неустойчив и разлагается (на магнезит и Fe), схема восстановления при температурах ниже 570°С следующая:

Fe₂О₃ - Fe₃О₄ - Fe

Восстановителями оксидов железа в доменной печи служат углерод, оксид СО и водород. Восстановление углеродом принято называть прямым восстановлением, а газами - косвенным. Реакции косвенного восстановления оксидом углерода следующие:

при температуре > 570°С

3Fe₂О₃ + CO = 2 Fe₃О₄ + CО₂ + 53 740; (1)

Fe₃О₄ + CO = 3FeO + CО₂ - 36 680; (2)

FeO + CO = Fe + CО₂ + 16 060; (3)

при температуре < 570°C

3Fe₂О₃ + CO = 2 Fe₃О₄ + CО₂ + 53 740;

l/4Fe₃О₄ + CO = 3/4Fe + CO₂ + 2870. (4)

Их характерной особенностью является то, что продуктом реакции всегда является CО₂, и то, что они идут без затрат тепла. Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла.

Главное, что отличает прямое восстановление от косвенного, это расходование углерода, а это означает, что с развитием реакций прямого восстановления сокращается количество углерода, достигающего фурм.

В целом ход процесса восстановления железа в доменной печи можно охарактеризовать следующим образом. Во всем объеме печи, начиная от верха колошника до участков с температурой 900-1000°С, протекают процессы косвенного восстановления газом СО и отчасти водородом. В этой зоне косвенного восстановления все высшие оксиды железа успевают восстановиться до FeO, а часть FeO восстанавливается до железа, причем частицы восстановленного железа обнаруживаются уже в колошнике. Вместе с тем часть FeO восстанавливается до железа прямым путем в зоне высоких температур (> 900-1000°С). При этом в зонах с температурами свыше 1100-1250°С, когда сформировался шлак, железо восстанавливается прямым путем из жидкого шлака при стекании его капель вниз между кусками кокса. Железо при восстановлении получается в твердом виде; частицы железа, восстановившиеся из материалов, находящихся в твердом виде, имеют форму губки.

В доменной печи железо восстанавливается почти полностью. Степень восстановления железа составляет 0,99-0,998, а это означает, что 99-99,8 % железа переходит в чугун и лишь 0,2-1,0 % переходит в шлак.

При выплавке передельных чугунов марганец в доменную печь попадает в составе агломерата и иногда в составе добавляемых небольших количеств марганцевых руд, а при выплавке ферромарганца в составе марганцевого агломерата или марганцевых руд.

Восстановление марганца из оксидов протекает ступенчато от высших оксидов к низшим:

MnO₂ - Mn₂O₃ - Mn₃O₄ - MnО - Mn

Высшие оксиды марганца непрочны и восстанавливаются газом СО при невысоких (200-500°С) температурах в верхней части шахты печи по следующим реакциям косвенного восстановления:

2MnO₂ + СО = Mn₂O₃ + СО₂ + 227560; (5)

3Mn₂O₃ + СО = 2Mn₃O₄ + СО₂ + 170770; (6)

Mn₃O₄ + СО = ЗMnО + СО₂ + 52080 (7)

Таким образом, восстановление MnO₂ до MnО связано с выделением большого количества тепла - около 2870 кДж на 1 кг марганца.

Низший оксид марганца - MnО является химически более прочным и восстанавливается только прямым путем, требуя значительного расхода тепла:

MnО + С = Мn + СО - 288290 Дж (8)

Для более полного восстановления марганца необходимы высокие температуры в горне, увеличение поступления тепла в горн и повышенная основность шлака.

Восстановительные условия доменной плавки таковы, что восстанавливается не весь марганец, внесенный шихтой. При выплавке передельных чугунов степень восстановления марганца составляет 55-65 %, остальная часть марганца остается в шлаке в виде MnО. Из сказанного следует, что содержание марганца в чугуне будет в первую очередь определяться его содержанием в шихтовых материалах.

Кремний присутствует в рудах главным образом в виде кремнезема, а в агломерате - в виде силикатов железа и кальция и силикатов промежуточного состава - оливинов СаО_х • FeO _(2-x) • SiО₂. Сродство кремния к кислороду очень велико, поэтому он может восстанавливаться в печи только прямым путем по следующей реакции:

SiО₂ + 2С = Si + 2СО - 636760 Дж (9)

В доменной печи при температурах 1200-1250⁰С уже сформирован жидкий шлак, и поэтому основная часть кремния восстанавливается прямым путем из SiО₂, находящегося в шлаке при стекании капель шлака в горн между кусками кокса. Условиями, благоприятствующими восстановлению кремния, является высокая температура в районе горна, а так же кислые шлаки, т.е. содержащие мало СаО, т.к. СаО связывает SiО_2. Поскольку в доменной печи основность шлака, определяемая основностью используемого офлюсованного агломерата, является относительно постоянной, количество восстановленного кремния зависит, прежде всего, от температуры в горне и прилегающем к нему объему печи.

Фосфор поступает в доменную печь в основном с агломератом и железными рудами в виде фосфата 3СаО • Р₂О₅ и иногда 3FeO • Р₂О₅ • 8Н₂О. Фосфат 3СаО • Р₂О₅ интенсивно восстанавливается при температурах 1000-1200°С и более с большой затратой тепла:

3СаО • Р₂О₅ + 5С = 2Р + 3СаО + 5СО - 1634000 Дж, (10)

причем часть его восстанавливается из шлака.

Фосфат железа менее прочен и восстанавливается при 900-1000°С газом СО и частично углеродом, например:

2 (3FeO • Р₂О₅) + 16СО = 3Fe₂P + Р + 16 СО_{2 (}11)

Образующиеся при этих реакциях фосфор и фосфид Fe₂P активно растворяются в железе, и практически весь фосфор шихты переходит в чугун. Таким образом, единственным способом получения чугуна с низким содержанием фосфора является использование чистых по фосфору рудных материалов.

1.3.4 Образование чугуна

Восстанавливаемое во всем объеме печи железо получается в твердом виде, поскольку температура его расплавления (1535°С) выше температур, имеющихся в доменной печи; при этом восстановленное из твердых кусков шихты железо получается в виде твердой губки. В условиях избытка углерода и СО губчатое железо растворяет углерод (науглероживается). Этот процесс получает заметное развитие уже при температурах 400-600°С и заключается в том, что на поверхности губчатого железа, являющегося катализатором, происходит распад СО (2СО = С_аж+СО_а) и выделяющийся сажистый углерод переходит в железо, образуя раствор Fe + C = [С] или карбид Fe₃C: Fe + 3C=Fe₃C

По мере науглероживания температура плавления железа понижается (так температура плавления железа, содержащего 4,3 % С равна 1130°С), а само оно опускается в зоны с более высокими температурами. В определенный момент, когда температура плавления науглероженного железа становится равной температуре в печи, железо плавится (примерно при содержании углерода 2-2,5 %и температуреоколо 1200°С) и образуются капли жидкого металла, которыестекают в горн между кусками кокса. В жидком виде железо науглероживается еще более интенсивно - при контакте капель с раскаленным коксом и при контакте расплава с коксом в горне, происходит растворение углерода кокса в металле: Fe + С_кокс = [С] _рс.

В движущиеся капли металла и отчасти в еще твердое железо в небольших количествах переходят на разных горизонтах печи другие восстановленные элементы (кремний, марганец, фосфор и в некоторых случаях ванадий, мышьяк, хром, никель, медь), а также сера. Этот сплав железа с углеродом и другими элементами (чугун) скапливается в горне.

Таким образом, формирование чугуна из твердого восстановленного железа заключается в его науглероживании, расплавлении и растворении в нем других восстановленных элементов (обычно это марганец, кремний, фосфор и сера).

Окончательное содержание углерода в чугуне устанавливается в горне; оно не поддается регулированию и зависит от температуры чугуна и его состава.

Марганец и хром, как карбидообразующие элементы, способствуют повышению содержания углерода в чугуне.

Кремний, фосфор и сера образуют с железом силициды, фосфиды и сульфиды, которые, являясь более прочными соединениями, чем карбид железа, разрушают его, способствуя тем самым снижению содержания углерода в чугуне. Увеличение температуры чугуна вызывает повышение содержания углерода в нем.

1.3.5 Образование шлака

В доменной печи шлак образуется под действием высоких температур в результате плавления пустой породы железосодержащих материалов и флюса, к которым в горне присоединяется зола сгоревшего кокса. Шлакообразующими оксидами являются SiO₂, CaO, MgO, Al₂O₃, FeO, MnO, а также сульфиды металлов, преобладающим из которых является CaS.