Конструкция доменной печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Устройство и принципы работы доменной печи

Рисунок 1 - Доменная печь

В домне (Рисунок 1) расплавляют, как правило, не железную руду, а агломерат (спекшуюся в куски мелкую руду) или окатыши (комки сферической формы, получаемые из мелкой руды или тонкоизмельченного концентрата). Их загружают в печь послойно, перемежая коксом. Так же послойно в домну добавляют флюсы - известь, песок и некоторые другие вещества. Для чего они нужны?

Вместе с агломератом и окатышами в домну попадает порода, не содержащая железа. Металлурги называют ее пустой породой. Ее надо удалить, чтобы она не попала в чугун при его затвердевании.

Флюсы заставляют пустую породу и некоторые другие ненужные вещества (все это называют шлаком) всплывать на поверхность жидкого металла, откуда шлак уже нетрудно слить в специальный ковш.

Итак, агломерат(или окатыши), кокс, флюсы входят в смесь материалов, которая загружается в домну и называется шихтой.

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.

Внутри доменная печь выложена (футерована) огнеупорной кладкой. Чтобы предотвратить разгар кладки и защитить кожух печи от высоких температур, используют холодильники, в которых циркулирует вода. Через колошник порциями, по нескольку тонн в каждой, в домну загружается шихта. Загрузка идет непрерывно. Для этого возле доменной печи устраивают бункер - склад, куда доставляют агломерат (или окатыши), коксифлюсы. В бункере из них при помощи автоматизированных вагонов-весов составляют шихту.

В бункеры больших современных домен сырье подается непрерывно - транспортерами. Также транспортерами в современных домнах подаётся шихта из бункера на колошник. В старых домнах для этого применяются вагончики-скипы, которые курсируют по наклонным рельсам.

Под действием собственного веса шихта опускается, проходя через всю домну. В средней части печи - шахте - ее омывают идущие снизу вверх газы - продукты горения кокса. Они нагревают шихту, а затем уходят из домны через колошник. Но самое главное происходит в нижней части домны - горне. В верхней части горна располагаются фурмы - отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья - сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом. В фурмах устроены окошки, защищенные стеклами, через которые доменщики могут заглянуть внутрь печи и увидеть, как идет процесс. Чтобы фурмы не сгорели, их охлаждают водой, протекающей по каналам внутри фурм.

Горячий воздух нужен для того, чтобы еще сильнее подогреть шихту перед расплавлением. Это позволяет снизить расход дорогостоящего кокса и повышает производительность домны. Кроме того, для еще большего снижения расхода кокса в домну вводят в качестве источника тепла природный газ или мазут. Воздух перед подачей в фурмы нагревают в высоких башнях, заполненных внутри кирпичом, - воздухонагревателях . В горне домны сгорает кокс (а также природный газ или мазут), развивая очень высокую температуру - свыше 2000° С, под действием которой руда полностью расплавляется. В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

С+ О2 = С02 + Q

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

С02 + С = 2СО

Сгорая, кокс соединяется с кислородом воздуха, и образуется углекислый газ.

Под влиянием высокой температуры углекислый газ превращается в оксид углерода, который отнимает у железной руды кислород, восстанавливая железо. Стекая вниз через слой раскаленного кокса, железо насыщается углеродом и превращается в чугун.

Рисунок 2- Фундамент доменной печи: 1 - подошва фундамента; 2 - пень; 3 - трубы воздушного охлаждения.

Основанием доменной печи является фундамент (Рисунок 2). Фундамент состоит из собственно опоры, или плиты фундамента, расположенной ниже отметки заводского пола, и наружной части так называемого пня. Фундамент печи может быть одновременно опорой прилегающих сооружений, связанных с конструкцией поддоменника и литейного двора.

Разновидностью современной конструкции является фундамент, выполненный в виде монолитной плиты из железобетона марки 300 в нижней части и из жароупорного бетона в верхней.

Фундамент печи представляет собой мощный железобетонный армированный массив, выдерживающий огромные нагрузки.

Основание фундамента закладывается на твердом материковом грунте и должно по возможности доходить до скалы изверженного или осадочного происхождения. При слабом грунте фундамент опирают на свайное основание или делают опускной колодец. Причем отметка подошвы фундамента должна быть на расстоянии, равном глубине промерзания, а глубина забивки свай при этом зависит от качества грунта, который должен выдерживать нагрузку не менее 245 кПа. Это предохраняет фундамент от больших неравномерных осадок. Особенно опасны лессовидные грунты, дающие осадки тем значительнее, чем больше влаги попадает в почву в непосредственной близости от фундамента.

Осадки нарушают монолитность фундамента, сопряжение наклонного моста с верхом печи и центровку засыпного аппарата, ось которого отклоняется от оси печи. Это отражается на распределении материалов, ровности хода и создает условия для искажения профиля печи.

Развитие трещин в фундаменте и его неравномерная осадка могут нарушить сплошность массива лещади и привести к осевому прорыву горна.

Подобные аварии были в практике как зарубежного, так и отечественного доменного производства. Возникновению их способствуют условия работы фундамента. После задувки печи температура пня постепенно возрастает, создаются напряжения, происходят структурные изменения в бетоне с образованием трещин. Происходит постепенное разрушение бетона, так как гидроалюминат и гидроксид кальция, выделяющиеся в процессе гидратации цемента, при высокой температуре теряют гидратную воду. При этом разрушается кристаллическая решетка цементного камня, снижается его прочность особенно при нагреве бетона до 547°С.

Выделяющаяся окись кальция гасится влагой воздуха с увеличением объема, а разница величин деформаций цементного камня и заполнителя приводит к образованию микротрещин в местах их соприкосновения, что и обусловливает постепенное термическое разрушение фундамента.

Ослабление этого разрушения достигается сооружением верхней части фундамента из жароупорного бетона высотой 3,0 - 3,5 м, способного благодаря огнеупорному наполнителю - бою шамота - выдерживать температуру до 1100°С при допуске для несущей части фундамента 250°С. Применяемое в настоящее время охлаждение низа лещади воздухом или водой капитально решает вопрос защиты фундамента от термического разрушения. Температура поверхности его на границе с лещадью практически не превышает 100 - 150°С.

Известковый и доломитный щебень понижают термостойкость бетона. Поэтому предпочтительней всего готовить бетон, применяя гравий.

Массив фундамента должен иметь хорошую сплошность, т. е. не иметь пустот и рыхлых полостей. Все материалы, употребляемые для бетонирования, тщательно подготавливаются с точки зрения гранулометрического состава, отсутствия посторонних примесей и собственно мусора.

За состоянием фундамента ведут систематическое наблюдение как визуально, так и с помощью заложенных в него термопар. При появлении глубоких трещин производят их заполнение огнеупорным раствором. При капитальных ремонтах первого разряда после удаления кладки лещади бетон фундамента проверяют на степень дегидратации заливкой поверхности пня водой. Размягчающуюся после полива часть фундамента удаляют и вновь бетонируют.

Бетонирование ведут ускоренным темпом, без перерывов от начала и до конца в целях получения максимальной однородности тела фундамента.

Кожух доменной печи воспринимает внутреннее давление газов, шихты и кладки, создает герметичность печи и является одной из самых ответственных ее конструкций.

Увеличение объемов доменных печей, режим повышенного давления газа на колошнике и другие факторы интенсификации процесса требуют тщательного подхода к выбору металла для изготовления кожуха. Прочность и способность его противостоять деформациям должны быть рассчитаны также и на нагрузку крепящихся к нему различных вспомогательных сооружений.

В современном исполнении он представляет собой сварную конструкцию, состоящую из конических и цилиндрических поясов (царг), изготовленных из низколегированных марок листовой стали: 14Г2, 16Г2АФ, 10Г2С1, 15ХСНД и др., характеризующихся высокой ударной вязкостью, большой прочностью, достаточной пластичностью и термостойкостью.

Поэтому легированные стали с большими прочностными характеристиками, такие как аустенитные, нержавеющие или ферритные, для сооружения кожуха непригодны, поскольку они увеличивают склонность его к деформациям и образованию трещин (первые в силу высокого коэффициента термического расширения, вторые вследствие потери пластичности при повышенном нагреве в случае частичного или полного износа кладки).

Рисунок 3 - Кожух доменной печи: 1-швы, свариваемые на стендах; 2-швы, свариваемые на стендах при укрупнении конструкций в монтажные блоки; 3-кольцевые швы, осуществляемые в проектном положении; 4-вертикальные швы горна, выполняемые в проектном положении

Кожух выполняют из листовой стали толщиной 30 - 50 мм, неодинаковой по высоте печи. Так, на доменной печи объемом 5000 м3 толщина листа (сталь 16Г2АФ) принята равной в нижней части лещади 38мм, в верхней части лещади, горне, фурменной зоне, заплечиках и распаре 45, в шахте 38 - 30, колошнике и куполе 45 мм.

На доменной печи объемом 3200 м3 толщина листа (сталь 10Г2С1) составляет в лещади 40 - 50, в горне, заплечиках и распаре 50, в шахте, колошнике и куполе 30 - 40 мм.

За рубежом кожух печи выполняют также цельносварным из котельной стали и стали других марок. Толщина у основания до 60, на колошнике 30 мм. Имеются печи с толщиной кожуха 70 (Бельгия) и 50 мм (Франция).

В Японии предлагается сооружать кожух шахты, распара и заплечиков в виде единой цельнометаллической конструкции при одинаковой толщине кладки с приваркой опорного кольца к кожуху печи для передачи нагрузки на колонны.

Кожух печи в процессе эксплуатации испытывает различные напряжения. Кроме растягивающих кольцевых (горизонтальных) усилий от давления шихты и термического расширения кладки в радиальном направлении, имеют место и вертикальные (меридиональные) нагрузки.

Поэтому деформация может значительно превышать величину нагрузок, соответствующих началу текучести металла. Она бывает переменной по высоте и окружности вследствие неравномерности давления кладки и холодильников на кожух. Трение между кладкой и кожухом препятствует перераспределению этих деформаций по окружности печи.

Разнонаправленные меридиональные и кольцевые напряжения, а также неравномерный нагрев кожуха и рост кладки вызывают дополнительные местные растягивающие силы, влекущие за собой разрывы кожухов.

Напряжения особенно велики в течение первого месяца после задувки печи в период разогрева огнеупорной кладки и конструкций. В дальнейшем они стабилизируются и постепенно снижаются.

Величина напряжений зависит и от температуры атмосферного воздуха, с понижением которой они резко увеличиваются.

В связи с напряженностью металла в кожухе печи отверстия в нем для воздушных амбразур, шлаковых леток усиливают накладками, а для чугунной летки специальной стальной рамой. Вырезы для холодильников шахты должны быть минимальными по числу и площади и не иметь острых углов во избежание излишних напряжений.

В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет так называемое «донышко», назначение которого сводится к предупреждению газопроницаемости в лещади и увеличению ее прочности.

Верхняя часть кожуха - купол шахты - стягивается «основным» кольцом, литым стальным фланцем, являющимся также опорой для чаши большого конуса засыпного аппарата. Симметричные вырезы в куполе имеют круглое или овальное сечение и служат для примыкания газоотводов. Вырезы усилены мощными стальными амбразурами для придания жесткости.

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.

Всю огнеупорную футеровку доменной печи условно подразделяют на ряд зон (рис. 4). Верхнюю часть печи называют колошником. Шахта состоит из двух частей: верхней, неохлаждаемой, и нижней, охлаждаемой холодильниками.

Шахта и колошниковая части печи опираются на опорное кольцо (мараторное). Ниже расположен распар - зона восстановления. В следующую зону - заплечики подается дутье. В этой зоне происходит горение топлива. Ниже расположена цилиндрическая часть - горн, в верхней части которого устроены летки для выпуска шлака, а в нижней - чугуна. Дно печи называют лещадью.

Рисунок 4 - Основные конструктивные элементы печи: 1 - купол; 2 - колошник; 3 - неохлаждаемая часть шахты; 4 - охлаждаемая часть шахты; 5 - распар; 6 - заплечики; 7 - горн; 8 - лещадь; 9 - опорное кольцо (мараторное); 10 - фурмы; 11 - жароупорная часть фундамента; 12 - фундамент из обычного бетона

промышленность печь купол

Применяемые огнеупоры. Для футеровки доменной печи применяют качественный (доменный) шамотный кирпич, высокоглиноземистый кирпич, углеродистые блоки, иногда карбидокремниевый кирпич. Основу шамота составляют SiО2 и Аl2O3.

Для доменных печей стандартом предусмотрено три сорта шамотных изделий с содержанием Аl2O3 соответственно не менее 42, 41 и 39%; они отличаются повышенной плотностью и прочностью, высокой огнеупорностью (> 1750 °С), низким содержанием Fe2O3 (< 1,5 %).

Кирпич с более высоким содержанием Аl2O3 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 Аl2O3, 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 % Аl2O3 при огнеупорности >1800 °С. Доменный карбидокремниевый кирпич содержит > 72 % SiC и > 7 % азота и отличается от огнеупоров на основе Аl2O3 и SiO2 заметно большей прочностью и теплопроводностью. Углеродистые блоки изготовляют из кокса и обожженного антрацита с добавкой в качестве связующего небольшого количества каменноугольного пека. Длина блоков достигает 3…4 м, они прямоугольного сечения 400Ч400 и 550Ч550 мм. Блоки в комбинации с высокоглиноземистым кирпичом больших размеров (400Ч200Ч100 мм) применяют для кладки самой нижней части печи -- лещади. Швы между огнеупорными кирпичами заполняют раствором, изготовленным из мертелей, соответствующих классу кирпича. Мертель -- это порошок, состоящий из измельченного шамота и огнеупорной глины.

Для ответственных видов кладки применяют мертели с добавкой небольших количеств поверхностно-активных и клеющих веществ (сода, сульфитно-спиртовая барда), что позволяет приготавливать растворы с меньшей влажностью при одновременном повышении их пластичности.

Для заполнения швов между углеродистыми блоками применяют углеродистую пасту, состоящую из кокса и смолопека. Зазор между блоками допускается не более 0,5 мм для вертикальных и не более 1,5 мм для горизонтальных швов.

Лещадь. Ранее лещади доменных печей выкладывали из качественного шамотного кирпича. Однако рост объема печей и интенсификация плавки вызывали быстрое разрушение такой кладки. Поэтому в настоящее время лещади делают либо цельноуглеродистыми, либо комбинированными из углеродистых и высокоглиноземистых огнеупоров. Применение углеродистых огнеупоров вызвано тем, что из-за их высокой теплопроводности снижается перегрев и вследствие этого уменьшается разрушение кладки лещади.

Горн. Футеровку горна до уровня фурм выполняют из углеродистых блоков, а в районах фурм и чугунных и шлаковых леток из шамотного (> 42 % Аl2O3) кирпича, поскольку углерод здесь может окисляться кислородом дутья, диоксидом углерода (СO2), 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.

Заплечики. Кладку заплечиков чаще всего делают тонкостенной (толщина 230 или 345 мм) из шамотного (> 42 % Аl2O3) кирпича в один ряд, при этом кирпич примыкает к периферийным плитовым холодильникам с залитым кирпичом.

Иногда вместо шамота применяют карбидокремние вые кирпичи. Кладка заплечиков быстро изнашивается и вместо нее на поверхности холодильников формируется слой гарнисажа (застывшего шлака и мелких кусков шихты).

Шахта и распар. Кладку распара и охлаждаемой части шахты (~2/3 ее высоты снизу) выполняют из шамотного (> 41…42 % Аl2O3) или карбидокремниевого кирпича, а кладку верхней неохлаждаемой части шахты из шамота, содержащего > 39 % Аl2O3. Кирпичи укладывают в два -- три ряда вперевязку.

Кладка шахты с распаром может быть толсто-, средне- и тонкостенной. В прежние годы широко применяли толстостенную кладку (толщина верха шахты 800…900 мм и до 1300 мм в районе распара) с горизонтальными холодильниками, заглубленными в кладку и служащими ее опорой. Однако в связи с тем, что холодильники расположены на расстоянии друг от друга, плохо охлаждается кожух, и после износа футеровки возникают его местные перегревы, вызывая термическую деформацию и возможность появления трещин.

Кроме того, вырезы в кожухе для установки горизонтальных холодильников снижают его прочность и делают кожух менее герметичным. В связи с этим в последние годы делают тонко- и среднестенные шахты. Тонкостенная шахта (и распар) имеет в охлаждаемой части толщину кладки 230…345 мм и в верхней неохлаждаемой части 575…690 мм с охлаждением вертикальными ребристыми холодильниками, причем часть холодильников имеет горизонтальные выступы, которые служат опорой для кладки и способствуют удержанию гарнисажа. Среднестенная шахта имеет толщину кладки в охлаждаемой части 575…900 мм и в неохлаждаемой 700 мм, охлаждение либо комбинированное из вертикальных ребристых холодильников в сочетании с горизонтальными, либо из вертикальных ребристых холодильников, имеющих горизонтальные выступы.

В распаре и охлаждаемой части шахты по мере износа кирпича образуется слой гарнисажа. С тем, чтобы уменьшить давление от расширяющейся при нагреве кладки на кожух печи и предотвратить его разрыв, между футеровкой и вертикальными холодильниками по всей высоте печи (кроме распара) предусматривают зазор в 70…200 мм, заполняемый шамотоасбестовой или пластичной углеродистой массой.

Колошник. Собственно, 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 не скольких 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.

Рисунок 5 - Различные типы металлоконструкций доменных печей

промышленность печь купол

Для обеспечения устойчивости и бесперебойной работы доменной печи, имеющей огромный вес, существует несколько типов несущих конструкций.

Шотландский (Рисунок 5. а) с опорой колошника через кожух и маратор на основные колонны печи. Для удобства обслуживания фурм и равномерного распределения их по окружности горна число колонн обычно делают кратным числу фурм. Другое сочетание неудобно, так как затрудняет обслуживание фурм и создает неравномерное размещение их по окружности горна.

Существенным недостатком конструкции данного типа является передача вибрации от скипового подъемника и оборудования колошника непосредственно на печь. Кроме того, для проведения ремонтов и реконструкций доменных печей требуется демонтаж колошникового устройства или сооружение специальной опорной системы при смене кожуха.

Немецкий (Рисунок 5. б) с опорой колошника на четыре самостоятельные колонны. Несмотря на улучшенное обслуживание горна, в этой конструкции не исключено наличие значительных напряжений, так как вес шахты передается полностью на заплечики и горн.

Комбинированный (Рисунок 5. в), в котором уменьшены указанные выше напряжения, но усложнено обслуживание горна. Данный тип конструкции обеспечивает достаточную прочность и работоспособность кожуха печи даже при появлении в нем больших трещин. Это особенно важно для печей, работающих на шихте со значительным содержанием цинка, который создает большие давления на кожух во всех направлениях.

Японский (Рисунок 5. г) с шестью колоннами, имеющими кронштейны (применяют на современных печах Японии). Колонны тяжелы из-за эксцентриситета нагрузок. Диаметр кольцевого воздухопровода, расположенного вне колонн, значительно больше, чем в других вариантах. Это увеличивает и утяжеляет детали фурменного устройства. Возможности организации напольного транспорта вокруг горна ограничены.

Американский (Рисунок 5. д) с четырьмя колоннами, разработанный в последние годы в США. В этом случае устраняются последствия вибрации, вызываемые загрузочными устройствами, и имеется широкий доступ для обслуживания леток и фурм горна.

Самонесущий кожух шахты без маратора (Рисунок 6). Эту конструкцию применили на доменных печах полезным объемом 2200, 3200, 5000 и 5500 м3. На отечественных предприятиях в зависимости от полезного объема и года постройки печи применяются различные типы опорных металлоконструкций.

Рисунок 6 - Опора шахты и колошника через маратор на горновые колонны: 1 - колонна горна; 2 - мараторное кольцо; 3 - кровля рабочей площадки; 4 - фундамент печи; 5 - колонны шахты

2. Технологический процесс выплавки чугуна

Цель доменного производства состоит в получении чугуна из железных руд путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и марганцевые руды и флюс. Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении процесса теплом и восстановительной энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает прохождение газового потока в шихте доменной печи. Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими элементами железо. Восстанавливаясь и насыщаясь углеродом в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава. Флюсом называются добавки, загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и придания шлаку требуемых технологией выплавки чугуна физикохимических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и доломитизированный известняк. Для получения высоких технико-экономических показателей доменной плавки сырье и материалы предварительно подвергают специальной подготовке.

В качестве топлива в современной доменной плавке применяют кокс, мазут, природный и коксовый газы и каменноугольную пыль. Основным видом топлива является кокс. Коксом называется пористое спекшееся вещество, остающееся после удаления из каменного угля летучих веществ при нагревании его до 950-1200 °С без доступа воздуха. Это единственный материал, который сохраняет форму куска в доменной печи на всем пути движения от колошника к горну. Благодаря этому обстоятельству обеспечивается прохождение газового потока через слой жидких, полужидких и твердых материалов в доменной печи. В нижней части печи раскаленный кокс образует своеобразную дренажную решетку, через которую в горн стекают жидкие продукты плавки. Высота столба шихты в современной доменной печи достигает 30 м, поэтому кокс, особенно в нижней части печи, воспринимает большие нагрузки. Отсюда вытекает основное требование, предъявляемое к коксу: высокая механическая прочность как в холодном, так и в нагретом состоянии. Загружаемый в доменную печь кокс не должен содержать ни мелких кусков, ухудшающих газопроницаемость шихты, ни чрезмерно крупных кусков, которые, как правило, поражены трещинами и легко разрушаются в печи с образованием мелких фракций. Кокс должен быть пористым для обеспечения хорошей горючести в горне печи и обладать высокой теплотой сгорания для получения требуемого количества тепла и необходимой температуры. Теплота сгорания кокса зависит от содержания в нем углерода, которое определяется содержанием золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе. Чем выше содержание золы, вредных примесей и летучих веществ в коксе, тем меньше в нем углерода и меньше теплота его сгорания. Кроме того, с увеличением содержания золы и серы в коксе возрастают количество шлака, расход тепла на его расплавление и снижается механическая прочность кокса, а с увеличением содержания серы и фосфора в коксе ухудшается качество чугуна. Повышенное содержание летучих веществ в коксе свидетельствует о незавершенности процесса коксования, что приводит к снижению механической прочности кокса. Чрезмерно низкое содержание летучих веществ в коксе, получающееся при пережоге кокса, также отрицательно сказывается на его качестве. Поэтому кокс должен содержать по возможности меньше золы, серы, фосфора и умеренное количество летучих веществ. В коксе всегда содержится влага, поступающая в кокс при его тушении на коксохимическом заводе или из атмосферы. В связи с тем, что кокс в доменной печи загружают по массе, содержание влаги в коксе должно выдерживаться постоянным для сохранения заданного теплового режима печи.

Среди металлов железо занимает третье место по распространенности в земной коре (4,2 %) после кремния (26 %) и алюминия (7,4 %). Железо в недрах земли в чистом виде не встречается. Оно входит в состав горных пород в различных химических соединениях. В природе известно более 300 разновидностей горных пород, содержащих железо, но далеко не все они представляют собой железные руды. Железными рудами принято называть такие горные породы, из которых экономически выгодно извлекать железо методом плавки. Экономическая целесообразность извлечения 6 железа из руд зависит от уровня развития техники и характеристики месторождения. Среди известных видов руд наиболее распространены в природе руды осадочного происхождения. Из этих руд выплавляется более 90 % чугуна. Железная руда состоит из минерала (орудняющего вещества), пустой породы и примесей. Главной частью руды является рудный минерал, в состав которого входит железо. Чаще всего железо в минерале химически связано с кислородом, реже с другими элементами и соединениями. Пустая порода состоит из кремнезема, глинозема, извести и магнезии, образующих сложные минералы. Примеси руд делятся на полезные и вредные. Полезными примесями считаются марганец, хром, никель, ванадий, вольфрам, молибден и др. Вредные примеси - сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и в большинстве случаев медь - либо ухудшают качество металла, либо разрушающе действуют на огнеупорную футеровку доменной печи. В зависимости от типа рудного минерала железные руды делятся на четыре основные группы:

· Красный железняк или гематитовая руда. Минерал гематит - безводный оксид железа, в чистом виде содержит 70 % железа и 30 % кислорода. Это наиболее распространенная железная руда.

· Магнитный железняк или магнетитовая руда. Минерал - магнетит (72,4 % железа и 27,6 % кислорода).

· Бурый железняк представлен железосодержащими минералами водных оксидов железа, которые содержат от 59,8 до 69 % железа.

· Шпатовый железняк - железная руда, основу которой составляет минерал сидерит, содержащий 48,3 % железа.

Кроме перечисленных четырех разновидностей железных руд, железо в значительном количестве (46,6 %) содержится в серном колчедане или пирите. Однако пирит в доменную плавку не дают, его используют в качестве сырья в серно-кислотной промышленности, а отходы в виде окисленного железа применяют при производстве агломерата. Также находят промышленное применение бедные железные руды: магнетитовые и гематитовые кварциты, в которых содержится до 45 % кремнезема в виде свободного кварца. Кварциты обогащают, получая железорудный концентрат, содержащий более 60 % железа. Критериями оценки железных руд являются: содержание железа; тип основного железосодержащего минерала; состав и свойства пустой породы; содержание вредных примесей; стабильность химического состава; восстановимость; куксоватость; прочность; пористость; влажность. В настоящее время более 90 % добываемых руд перед загрузкой в доменные печи подвергают специальной подготовке, в процессе которой перечисленные выше характеристики руд значительно изменяются, однако многие из них сильно влияют на качество и свойства конечного продукта. При оценке железной руды прежде всего обращают внимание на содержание в ней железа, которое колеблется в очень широких пределах. Чем выше содержание железа в железной руде, тем экономичнее и производительнее работает доменная печь. К богатым рудам относят руды, содержащие 60-68 % железа, к средним - 50-60 %, к бедным - 40-50 %. Кусковые руды с высоким содержанием железа могут перерабатываться в доменной печи без предварительной подготовки, но таких руд мало, и они в основном используются при выплавке стали. Используются также руды с содержанием железа менее 40 %. Эти руды подвергают обогащению. Нижний предел содержания железа в рудах определяется выгодностью их использования. Флюсами называются материалы, добавляемые к железной руде и загружаемые в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы, ошлакования золы кокса и получения жидкоподвижного шлака с высокой серопоглотительной способностью. В качестве флюса выбирают материал с химическими свойствами, противоположными химическим свойствам пустой породы. Так как пустая порода руд преимущественно кремнеземистая (кислая), то роль флюса выполняют основные оксиды СаО и частично МgО. Иногда в зависимости от состава пустой породы флюсы могут быть кислыми или глиноземистыми. Оксид кальция входит в состав минерала кальцита, называемого известняком. Кроме известняка, для руд с кислой пустой породой в качестве флюса используют доломитизированный известняк, состоящий из смеси кальцита и доломита. Доломитизированный известняк применяют для улучшения подвижности шлака, доводя содержание оксида марганца в шлаке до 6-8%. Важнейшим требованием, предъявляемым к основным флюсам, является низкое содержание в них кремнезема и глинозема и вредных примесей серы и фосфора.

Необходимость подготовки руд к доменной плавке обуславливается стремлением улучшить технико-экономические показатели работы доменных печей и использовать для получения чугуна сравнительно бедные железные руды . Чем выше содержания железа в шихте и лучше ее газопроницаемость, тем выше производительность печи, ниже расход кокса и флюсов и лучше качество чугуна. Повышения содержание железа в доменной шихте достигают обогащением железных руд, а улучшения газопроницаемости шихты в доменной печи - окускованием мелких железных руд и концентратов. Расчетами и опытом установлено, что при повышении содержания железа в руде на 1 % производительность печи возрастает на 2,0-2,5 %, а расход кокса снижается на 1,4-2 %

Руда может быть в виде кусков до 1500 мм при открытой добыче и до 300 мм при подземной добыче. Дробление руд применяется как самостоятельная операция для получения кусков руды требуемого размера и как вспомогательная операция при обогащении руд для разрушения механических связей между железосодержащим минералом и пустой породой. В зависимости от крупности руды после дробления различают три фракции дробления: крупную (размер кусков после дробления 100-300 мм), среднюю (40-60 мм) и мелкую (8-25 мм). Процесс дробления характеризуется степенью и эффективностью дробления. Степень дробления определяют отношением максимальных размеров кусков до и после дробления: i = D/d, где i - степень дробления; D и d - максимальные размеры кусков до и после дробления соответственно. Эффективность дробления определяют выходом дробленого материала на единицу израсходованной электроэнергии. Дробление - наиболее дорогая операция в системе подготовки руд. Мелкое и тонкое дробление называют измельчением и применяют только для руд, идущих на обогащение. Крупное, среднее и мелкое дробление осуществляют преимущественно в конусных дробилках.

Грохочением называется разделение руды на классы по крупности. Для руд, поступающих на металлургический завод без обогащения, грохочение является самостоятельной и очень важной операцией, в процессе которой выделяют мелкую руду (0-10 мм) для агломерации, а крупную (более 10 мм) сортируют на два класса: доменную (10-30 мм) и мартеновскую (30-80 мм). При обогащении руд на обогатительных фабриках грохочение является вспомогательной операцией, совмещаемой с дроблением руд. Это позволяет загружать в дробильные устройства только те фракции, которые подлежат дроблению, а следовательно, уменьшить расход электроэнергии на дробление, повысить производительность дробильных устройств и качество дробления. Грохочение руд осуществляется на механических ситах.

Железные руды по условиям залегания и добычи всегда имеют непостоянный химический состав. Значительные и частые колебания содержания железа и пустой породы в рудах вызывают нарушение теплового состояния доменной печи и химического состава шлака. Это приводит к нарушению ровного хода печи, при котором неизбежны повышение расхода кокса, снижение производительности печи и ухудшение качества выплавляемого чугуна. Чтобы уменьшить отрицательное влияние непостоянства химического состава руд на показатели доменной плавки, руды подвергают усреднению. Усреднением называют перемешивание железорудных материалов с целью выравнивания химического и гранулометрического составов. В связи с тем, что почти все добываемые руды подвергают окускованию, основное назначение усреднения состоит прежде всего в уменьшении колебаний содержания железа и кремнезема в рудах. Необходимо добиться такого усреднения руд, при котором колебания содержания железа и кремнезема в руде не превышали бы ±0,5 % от среднего значения.

Обогащением называется процесс разделения рудного минерала и пустой породы с целью повышения содержания металла в руде и уменьшения содержания пустой породы, а в некоторых случаях и вредных примесей. Все способы обогащения основаны на различии физических свойств рудных минералов и пустой породы. В результате обогащения руды получают:

· концентрат - продукт, в котором содержится большая часть извлекаемого металла;

· хвосты - отходы при обогащении руды, в которых содержится незначительное количество металла;

· промежуточный продукт, в котором содержание металла больше, чем в хвостах, и меньше, чем в концентрате. Промежуточный продукт подвергают повторному обогащению.

В зависимости от метода обогащения и устройства аппарата степень извлечения железа при обогащении железных руд может изменяться от 60 до 95 %. Различают пять основных методов обогащения руд:

· рудоотборка, основанная на различии цвета и блеска кусков рудного минерала и пустой породы;

· промывка, основанная на разной размываемости кусков рудного минерала и пустой породы;

· гравитационное обогащение - разделение в жидкой среде рудных минералов и пустой породы в зависимости от плотности зерен;

· флотация - метод обогащения, основанный на различии физикомеханических свойств поверхности частиц рудного минерала и пустой породы;

· магнитная сепарация (самый распространенный метод обогащения), основанная на различии магнитных свойств минерала и пустой породы.

Окускованием железных руд называются процессы превращения мелких руд и концентратов в кусковые материалы с целью улучшения хода металлургических процессов в печах различного типа для получения металлов из руд. Окускование руд широко применяется в металлургии черных и цветных металлов. В металлургии черных металлов окускованию подлежат все мелкие руды и концентраты, из которых получают металл в доменном, сталеплавильном и электрометаллургическом производствах. В доменном производстве окускованием железорудного сырья достигают:

· уменьшения выноса газовым потоком мелких фракций руды из доменной печи;

· повышения газопроницаемости столба шихтовых материалов;

· улучшения использования тепловой энергии и восстановительной способности газового потока;

· улучшения протекания процессов восстановления, шлакообразования и перевода серы в шлак. В итоге окускование сырья позволяет значительно увеличить производительность доменных печей, сократить расход кокса и повысить качество чугуна.

Существует три метода окускования руд и концентратов:

· агломерация (процесс спекания мелких руд и концентратов путем сжигания топлива в слое спекаемого материала или подвода высокотемпературного тепла извне);

· окатывание (процесс получения из концентрата сырых шаров диаметром 10-25 мм и последующего их обжига при температуре 1200- 1350 °С); брикетирование (процесс прессования пылеватых руд и концентратов в куски одинаковой формы с добавкой или без добавки связующих веществ). В черной металлургии наибольшее распространение получили агломерация и окатывание руд, осуществляемые на специальных устройствах: ленточной агломерационной машине (Рисунок 7) и тарельчатом грануляторе (Рисунок 8).

Рисунок 7. Схема агломерационной машины: 1 -- барабанный питатель для загрузки шихты; 2 -- направляющие рельсы; 3 -- зажигательный горн; 4 спекательные тележки; 5 -- вакуум-камеры

промышленность печь купол

Рисунок 8. Схема образования окатышей в тарельчатом грануляторе: 1 -- вращающаяся чаша, 6 -- 10 мин; 2 -- скребки; 3 -- механизм изменения угла наклона чаши

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 доменный 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 1000-1200 °С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью могут добавляться технический кислород, природный газ, водяной пар. Кокс поступает в горн нагретым до 1400-1500 °С. 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 1800-2000 °С, 13 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 200-450 °С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе 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 каждые 5-8 мин по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов. В процессе нагревания опускающихся материалов происходят 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 состояние по схеме Fе2О3 > Fе3O4 > FеО > Fе. Свежевосстановленное железо заметно насыщается углеродом еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура его плавления понижается. При температуре 1000-1100 °С 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 1130-1150 °С 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 расплавляются 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 полнота 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.

Высокопроизводительная и экономичная работа доменной печи в значительной мере зависит от того, как организовано движение и распределение газов и шихты в ее рабочем пространстве. Движение газов и распределение их в печи определяется множеством факторов, но главным из них являются гранулометрический состав шихты и ее распределение на колошнике во время загрузки и перераспределение при движении в доменной печи. В свою очередь, и движущийся газовый поток влияет на распределение шихты. Газы в доменной печи движутся через столб шихты снизу вверх под действием разности давлений, зависящей от величины сопротивления загруженной в печь шихты и количества воздуха, нагнетаемого в горн воздуходувной машиной. Проходя путь 24-26 м в течение нескольких секунд, газовый поток должен выполнить тепловую и восстановительную работу и обеспечить ровный сход шихтовых материалов от колошника к горну. Исходя из этих функций газового потока к распределению газов предъявляются противоречивые требования. Для наиболее полного использования тепла и восстановительной способности газового потока газы по сечению печи должны распределяться равномерно, иными словами, температура и состав газов во всех точках сечения доменной печи должны быть одинаковыми, а шихта - в равной мере нагретой и восстановленной. Для обеспечения ровного схода шихты газовый поток по сечению печи должен распределяться неравномерно, проходя в большем количестве у стен и в осевой зоне печи, т. е. там, где чаще всего бывает меньше руды или агломерата. В действительности же в доменной печи невозможно достичь равномерного распределения газов по сечению вследствие специфических особенностей доменного процесса и конструкции доменной печи.

Наиболее важным показателем, характеризующим распределение газового потока по сечению столба шихты, является сопоставление количеств газов, проходящих через равновеликие площади заполненного шихтой сечения печи в единицу времени.

Исходя из требований, предъявляемых к распределению газов в доменной печи, материалы при загрузке должны распределяться неравномерно по сечению печи как по крупности, так и по компонентам шихты. У стен должно сосредотачиваться больше крупного агломерата с целью лучшего использования периферийных газов, а у оси - больше кокса. Большое количество мелких фракций железосодержащих компонентов у стен печи недопустимо во избежание тугого хода. Основную часть мелких фракций необходимо располагать в промежуточном кольце между периферией и центром. По окружности печи материалы должны, наоборот, распределяться строго равномерно, т. е. так, чтобы любая окружность горизонтального сечения была кривой равного содержания диоксида углерода в газе и кривой одинаковой температуры. Этим условиям распределения шихты удовлетворяет принятый способ загрузки материалов при помощи конуса и воронки. Шихтовые материалы - кокс, железосодержащие компоненты и флюс - загружают в доменную печь отдельными порциями, называемыми подачами. Количественное соотношение компонентов шихты в каждой подаче строго постоянное. Оно определяется расчетом шихты. Материалы на колошник подают специальными тележками - скипами, перемещающимися по рельсам наклонного моста. Объем материалов одной подачи соответствует объему нескольких скипов, поэтому подача на колошник подается по частям несколькими скипами. При этом одну часть скипов подачи загружают коксом, а другую - железосодержащими компонентами и флюсом. При полностью офлюсованном агломерате подача состоит только из скипов с агломератом и коксом.

В доменной печи шихта опускается под действием своей массы в пространство, освобождающееся в результате уменьшения ее объема при протекании различных процессов, основными из которых являются горение углерода кокса в фурменных очагах, расход углерода кокса на прямое восстановление, образование и плавление чугуна и шлака, а также уплотнение шихты при движении. До 44-52 % общего уменьшения объема шихты приходится на горение углерода, 11-16 % - на прямое восстановление, 25-35 % - на плавление чугуна и шлака и 5-15 % - на уплотнение материалов. Из этого следует, что уменьшение объема шихты происходит главным образом в очагах горения перед фурмами, а фурменные очаги можно 17 уподобить своеобразным воронкам, через которые движется основная масса шихты. Периферийное расположение зон горения приводит к преимущественному движению шихты на периферии печи. Скорость движения шихты в периферийном кольце колошника составляет 90-140, а в центре 70-120 мм/мин. Длительность пребывания шихты в печи изменяется в пределах от 5,5 до 7 ч. Активизация работы центра печи всегда приводит к существенному увеличению скоростей опускания шихты в осевой зоне и уменьшению разности скоростей движения шихты на периферии и в центре. Повышение скорости схода шихты на периферии колошника объясняется и другими причинами, главными из которых являются расширение шахты книзу и более интенсивное по сравнению с коксом движение железорудных компонентов, располагающихся в большом количестве на периферии. В результате неодинаковой скорости движения шихты в рабочем пространстве печи одновременно загруженные в печь материалы приходят в горн неодновременно. Это явление называется опережением, которое необходимо учитывать при изменении условий работы печи, связанных с переходом на выплавку другого вида чугуна, изменением качества материалов.

Одним из условий получения чугуна в доменной печи является удаление кислорода из оксидов, металлы которых входят в состав чугуна. Процесс отнятия кислорода от оксида и получения из него элемента или оксида с меньшим содержанием кислорода называется восстановлением. Наряду с восстановлением протекает окисление вещества, к которому переходит кислород оксида. Это вещество называется восстановителем. Восстановительные процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Химическая прочность оксида определяется силами химической связи данного элемента с кислородом.